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La propulsión de la nave espacial
La propulsión de la nave espacial
La propulsión de la nave espacial es cualquier método utilizado para acelerar la nave espacial y artificiales satélites . Hay muchos métodos diferentes. Cada método tiene sus ventajas y desventajas, y la propulsión nave espacial es un área activa de investigación. Sin embargo, la mayoría de las naves espaciales de hoy son impulsados al forzar un gas de la parte posterior / parte trasera del vehículo a gran velocidad a través de una tobera supersónica de Laval . Este tipo de motor se llama un motor de cohete .
Todos los cohetes actuales utilización nave químicos ( bipropelente o combustible sólido ) para la puesta en marcha, aunque algunos (como el cohete Pegasus y SpaceShipOne ) han utilizado motores de aspiración de aire en su primera etapa . La mayoría de los satélites tienen simples propulsores químicos confiables (a menudo cohetes monopropelentes ) o cohetes resistojet para estación orbital de mantenimiento y algunos utilizan volantes de inercia para el control de actitud . Satélites del bloque soviético han utilizado propulsión eléctrica durante décadas, y las naves espaciales en órbita geo-occidental más reciente están empezando a utilizarlas para stationkeeping de norte a sur y de elevación de la órbita. Vehículos interplanetarios en su mayoría utilizan los cohetes químicos también, aunque unos pocos han usado propulsores de iones y propulsores de efecto Hall (dos tipos diferentes de propulsión eléctrica) con gran éxito.
Una cámara remota captura una vista de primer plano de un traslado Motor principal del espacio durante una prueba de tiro en elJohn C. Stennis Space Center en el condado de Hancock, Mississippi . En términos deimpulso específico , el SSME es el motor cohete químico más eficiente jamás lanzado.
Requisitos
Requisitos
Los satélites artificiales deben ser lanzados en órbita y una vez allí, deben ser colocados en su órbita nominal. Una vez en la órbita deseada, a menudo necesitan alguna forma de control de actitud para que se señalan correctamente con respecto a la Tierra , el Sol , y posiblemente algo astronómico objeto de interés. También son objeto de arrastre de la delgada atmósfera , de modo que para permanecer en órbita durante un largo período de tiempo alguna forma de propulsión es ocasionalmente necesario hacer pequeñas correcciones ( stationkeeping orbital ). Muchos satélites necesitan ser movidos de una órbita a otra de vez en cuando, y esto también requiere de propulsión. la vida útil de un satélite es más de una vez que se ha agotado su capacidad de ajustar su órbita.
Nave espacial diseñada para viajar más lejos también necesitan métodos de propulsión. Necesitan ser lanzado fuera de la atmósfera de la Tierra al igual que los satélites hacen.Una vez allí, tienen que abandonar la órbita y moverse.
Para los viajes interplanetarios , una nave espacial debe usar sus motores para abandonar la órbita terrestre. Una vez que lo ha hecho, debe de alguna manera hacer su camino a su destino. Naves interplanetarias actual hacer esto con una serie de ajustes de trayectoria de corto plazo. Entre estos ajustes, la nave espacial simplemente cae libremente a lo largo de su trayectoria. Los medios más eficientes en combustible para pasar de una órbita circular a otra es con una órbita de transferencia de Hohmann : la nave espacial comienza en una órbita casi circular alrededor del sol. Un corto periodo de empuje en la dirección del movimiento se acelera o desacelera la nave espacial en una órbita elíptica alrededor del Sol, que es tangencial a su órbita anterior y también a la órbita de su destino. La nave espacial cae libremente a lo largo de su órbita elíptica, hasta que llegue a su destino, donde otro corto período de empuje acelera o desacelera para que coincida con la órbita de su destino. Los métodos especiales como aerofrenado o aerocaptura se utilizan a veces para este ajuste orbital final .
Algunos métodos de propulsión nave tales como velas solares ofrecen muy baja pero inagotable empuje; un vehículo interplanetario usando uno de estos métodos sería seguir una trayectoria muy diferente, ya sea constantemente empujando contra su dirección de movimiento con el fin de disminuir su distancia al Sol o constantemente empujando a lo largo de su dirección de movimiento para aumentar su distancia del sol. El concepto ha sido probado con éxito por los japoneses IKAROS nave vela solar.
Las naves espaciales para viajes interestelares también necesitan métodos de propulsión. No existe tal nave espacial todavía no se ha construido, pero se han discutido muchos diseños. Dado que las distancias interestelares son muy grandes, se necesita una velocidad tremenda para conseguir una nave a su destino en un período razonable de tiempo. La adquisición de tal velocidad de lanzamiento y deshacerse de ella a su llegada será un desafío formidable para los diseñadores de naves espaciales.
Eficacia
Eficacia
Concepto de una vela solar del artista
Cuando en el espacio, el propósito de un sistema de propulsión es cambiar la velocidad, o V, de una nave espacial. Debido a esto es más difícil para las naves espaciales más masiva, los diseñadores generalmente discuten impulso , mv. La cantidad de cambio en el momento se llama impulso . Así que el objetivo de un método de propulsión en el espacio es crear un impulso.
Cuando el lanzamiento de una nave espacial de la Tierra, un método de propulsión deberá superar una mayor gravedad de tracción para proporcionar una aceleración neta positiva. En órbita, cualquier impulso adicional, aunque sea muy pequeña, dará lugar a un cambio en la trayectoria de la órbita.
La tasa de cambio de velocidad se llama aceleración , y la velocidad de cambio de impulso se llama fuerza . Para llegar a una velocidad dada, se puede aplicar una pequeña aceleración durante un largo período de tiempo, o se puede aplicar una gran aceleración durante un corto período de tiempo. Del mismo modo, se puede lograr un impulso dado con una fuerza grande en un corto tiempo o una pequeña fuerza durante un largo tiempo. Esto significa que para la maniobra en el espacio, un método de propulsión que produce pequeñas aceleraciones, pero se ejecuta durante un largo tiempo puede producir el mismo impulso como un método de propulsión que produce grandes aceleraciones durante un corto tiempo. Al poner en marcha de un planeta, pequeñas aceleraciones no pueden superar la atracción gravitatoria del planeta y por lo tanto no pueden ser utilizados.
La superficie de la Tierra se encuentra bastante profunda en un pozo de gravedad . La velocidad de escape necesaria para salir de ella es de 11,2 kilómetros / segundo. Como los seres humanos evolucionaron en un campo gravitatorio de 1 g (9,8 m / s ²), un sistema de propulsión ideal sería uno que proporciona una aceleración continua de 1 g (aunque los cuerpos humanos pueden tolerar aceleraciones mucho más grandes en períodos cortos). Los ocupantes de un cohete o nave espacial que tiene un sistema de este tipo de propulsión estarían libres de todos los efectos negativos de la caída libre , como náuseas, debilidad muscular, disminución del sentido del gusto, o la lixiviación de calcio de sus huesos.
La ley de conservación del momento significa que para que un método de propulsión para cambiar el impulso de una nave espacial que tiene que cambiar el ritmo de algo más también. Algunos diseños se aprovechan de cosas como campos magnéticos o de una ligera presión con el fin de cambiar el impulso de la nave espacial, pero en el espacio libre de que el cohete debe traer un poco de masa para acelerar de distancia con el fin de empujar a sí mismo hacia adelante. Dicha masa se llama masa de reacción .
Para que un cohete a trabajar, que necesita dos cosas: masa de reacción y de la energía. El impulso proporcionado por el lanzamiento de una partícula de masa de reacción que tiene masa m con velocidad v es mv. Pero esta partícula tiene energía cinética mv ² / 2, que debe venir de alguna parte. En un convencional sólido , líquido , o cohete híbrido , el combustible se quema, proporcionando la energía, y los productos de reacción se deja fluir por la parte trasera, proporcionando la masa de reacción. En un motor iónico , la electricidad se utiliza para acelerar los iones por la parte trasera. Aquí alguna otra fuente debe proporcionar la energía eléctrica (tal vez un panel solar o un reactor nuclear ), mientras que los iones proporcionan la masa de reacción.
Cuando se habla de la eficiencia de un sistema de propulsión, los diseñadores a menudo se centran en la utilización eficaz de la masa de reacción. Masa de reacción debe ser llevada junto con el cohete y se consume cuando se utiliza deforma irrecuperable. Una forma de medir la cantidad de impulsos que se pueden obtener a partir de una cantidad fija de masa de reacción es el impulso específico , el impulso por unidad de peso-en-Tierra (normalmente designado por
). La unidad para este valor es segundos. Debido a que el peso en la Tierra de la masa de reacción a menudo es poco importante cuando se habla de vehiculos en el espacio, impulso específico también puede ser discutido en términos de impulso por unidad de masa. Esta forma alternativa de impulso específico utiliza las mismas unidades que la velocidad (por ejemplo, m / s), y de hecho, es igual a la velocidad de escape efectiva del motor (normalmente designado
).
Un cohete con una alta velocidad de flujo se puede lograr el mismo impulso con menos masa de reacción. Sin embargo, la energía necesaria para que el impulso es proporcional a la velocidad de escape, de modo que los motores de más masa-eficiente requieren mucha más energía, y son típicamente menos eficiente de la energía. Este es un problema si el motor es proporcionar una gran cantidad de empuje. Para generar una gran cantidad de impulsos por segundo, se debe utilizar una gran cantidad de energía por segundo. Así que los motores de gran masa eficientes requieren enormes cantidades de energía por segundo para producir una gran fuerza. Como resultado, la mayoría de los diseños de alta masa eficiente de motores también proporcionan menor empuje debido a la falta de disponibilidad de grandes cantidades de energía.
Métodos
Métodos
Métodos de propulsión se pueden clasificar en función de sus medios para acelerar la masa de reacción. También hay algunos métodos especiales para lanzamientos, llegadas planetarios, y rellanos.
Propulsores a reacción
Propulsores a reacción
Un motor de reacción es un motor que proporciona la propulsión mediante la expulsión de masa de reacción , de acuerdo con la tercera ley de Newton del movimiento . Esta ley de movimiento se parafrasea más comúnmente como: "Por cada fuerza de acción hay una igual, pero de sentido contrario, la fuerza de reacción".
Ejemplos incluyen tanto los motores de conductos y motores de cohetes , y las variaciones más frecuentes, como los propulsores de efecto Hall , unidades de iones y los conductores de masas . Los motores de conducto, obviamente, no se utilizan para la propulsión espacial, debido a la falta de aire, sin embargo algunas naves espaciales propuesto tiene este tipo de motores para ayudar a despegar y aterrizar.
Delta-v y el propulsor
Agotar todo el propelente útil de una nave espacial a través de los motores en una línea recta en el espacio libre produciría un cambio de velocidad neto para el vehículo; este número se denomina ' delta-v '(
).
Si la velocidad de escape es constante, entonces el total de
de un vehículo puede calcularse utilizando la ecuación del cohete, donde M es la masa del propelente, P es la masa de la carga útil (incluyendo la estructura del cohete), y
es la velocidad de los gases de escape del cohete . Esto se conoce como la ecuación del cohete Tsiolkovsky :
Por razones históricas, como se mencionó anteriormente,
Rocket relaciones de masas frente a velocidad final, calculados a partir de la ecuación del cohete
se escribe a veces
donde
es el impulso específico del cohete, medido en segundos, y es la aceleración de la gravedad al nivel del mar.
Para un alto delta-v misión, la mayoría de la masa de la nave espacial tiene que ser masa de reacción. Desde un cohete debe llevar toda su masa de reacción, la mayor parte de la masa de reacción inicialmente invertido-va a acelerar masa de reacción en lugar de la carga útil. Si el cohete tiene una carga útil de la masa P, la nave espacial que tiene que cambiar su velocidad en
, Y el motor de cohete tiene escape velocidad v e, a continuación, la masa M de masa de reacción que se necesita puede ser calculada utilizando la ecuación del cohete y la fórmula para
:
Para
mucho más pequeño que V e, esta ecuación es más o menos lineal , y se necesita poca masa de reacción. Si es comparable a v e, entonces es necesario que haya aproximadamente el doble de combustible que carga útil y la estructura combinada (que incluye los motores, tanques de combustible, y así sucesivamente). Más allá de esto, el crecimiento es exponencial; velocidades mucho más altas que la velocidad de escape requieren muy altas proporciones de masa de combustible de la carga útil y la masa estructural.
Para una misión, por ejemplo, al poner en marcha a partir de o aterrizar en un planeta, los efectos de la atracción gravitatoria y cualquier resistencia atmosférica deben ser superadas mediante el uso de combustible. Es típico para combinar los efectos de éstos y otros efectos en una misión eficaz Delta-V . Por ejemplo, una misión de lanzamiento a la órbita baja de la Tierra requiere delta-v aproximadamente 9,3 a 10 km / s. Estos misión delta-vs suelen estar integrados numéricamente en una computadora.
Algunos efectos tales como efecto Oberth sólo pueden ser utilizados de manera significativa por los motores de alto empuje tales como cohetes, es decir, motores que pueden producir una alta fuerza g (empuje por unidad de masa, igual a delta-v por unidad de tiempo).
El uso de energía y la eficiencia de propulsión
Para todos los motores de reacción (por ejemplo, los cohetes y las unidades de iones) un poco de energía debe ir a la aceleración de la masa de reacción. Cada motor se pierda un poco de energía, pero aún suponiendo una eficiencia del 100%, para acelerar un escape del motor tendrá un importe energía para
Esta energía no se pierde, algunos necesariamente de ella por lo general termina en forma de energía cinética del vehículo, y el resto se desperdicia en movimiento residual de los gases de escape.
Comparando la ecuación del cohete (que muestra la cantidad de energía termina en el vehículo final) y la ecuación anterior (que indica la energía total requerida) muestra que incluso con la eficiencia del motor 100%, luego, no toda la energía suministrada termina en el vehículo - algunos de la misma, de hecho por lo general la mayor parte de ella, termina en forma de energía cinética de los gases de escape.
La cantidad exacta depende del diseño del vehículo, y la misión. Sin embargo, hay algunos puntos fijos de utilidad:
si el
se fija, para una misión Delta-V, hay una en particular que minimiza la energía global utilizada por el cohete. Esto viene a una velocidad de escape de aproximadamente ⅔ de la misión Delta-V (véase la energía calculada a partir de la ecuación del cohete ). Las unidades con un impulso específico que es a la vez de alta y fija, como propulsores de iones tienen velocidades de escape que pueden ser enormemente mayor que la ideal para muchas misiones.
si la velocidad de escape se puede hacer variar de manera que en cada instante es igual y opuesta a la velocidad del vehículo, entonces se logra el uso de energía mínimo absoluto. Cuando esto se logra, el escape se detiene en el espacio [1] y no tiene energía cinética, y la eficacia de la propulsión es 100% - toda la energía termina en el vehículo (en principio, una unidad de este tipo sería eficaz al 100%, en la práctica sería pérdidas térmicas desde dentro del sistema de accionamiento y el calor residual en el escape). Sin embargo en la mayoría de los casos esto utiliza una cantidad impráctica de propulsor, pero es una consideración teórica útil. De todos modos el vehículo tiene que moverse antes de que el método puede ser aplicado.
Algunas unidades (como VASIMR o Electrodeless propulsor de plasma ) en realidad pueden variar significativamente su velocidad de escape. Esto puede ayudar a reducir el consumo de carburante o mejorar la aceleración en las diferentes etapas del vuelo. Sin embargo, el mejor rendimiento energético y la aceleración todavía se obtiene cuando la velocidad de escape está cerca de la velocidad del vehículo. Iones y Propuestos plasma unidades por lo general tienen velocidades de escape enormemente superior a la ideal (en el caso de VASIMR la velocidad más baja de cotización es alrededor de 15.000 km / s en comparación con una misión delta-v de la órbita terrestre alta a Marte de cerca de 4000m / s ).
Se podría pensar que la adición de la capacidad de generación de energía es útil, y mientras que inicialmente esto puede mejorar el rendimiento, lo que aumenta inevitablemente el peso de la fuente de alimentación, y eventualmente la masa de la fuente de alimentación y los motores asociados y propelente domina el peso del vehículo , y luego añadir más poder no da ninguna mejora significativa.
Para, a pesar de la energía solar y la energía nuclear son fuentes virtualmente ilimitado de energía, la potencia máxima que pueden suministrar es sustancialmente proporcional a la masa del motor (es decir, la potencia específica toma un valor en gran medida constante que depende de la tecnología de motor en particular). Para cualquier potencia específica dada, con un gran
Debido a la energía llevada en el escape de la eficiencia energética de un motor de reacción varía con la velocidad de los gases de escape con respecto a la velocidad del vehículo, esto se llama la eficiencia de propulsión
lo cual es deseable para ahorrar masa propelente, resulta que la aceleración máxima es inversamente proporcional a
. Por lo tanto el tiempo para alcanzar un delta-V requerida es proporcional a
. Por lo tanto este último no debe ser demasiado grande.
Energía
En el caso ideal
es útil y de carga útil es masa de reacción (esto corresponde a vaciar los tanques que no tiene masa, etc). La energía necesaria simplemente puede calcularse como
Esto corresponde a la energía cinética de la masa de reacción expulsado tendría a una velocidad igual a la velocidad de escape. Si la masa de reacción tenía que ser acelerada desde la velocidad cero a la velocidad de escape, toda la energía producida entraría en la masa de reacción y no quedaría nada de ganancia de energía cinética por el cohete y la carga útil. Sin embargo, si el cohete ya mueve y acelera (la masa de reacción es expulsado en la dirección opuesta a la dirección en la que los cohetes se mueve) menos energía cinética se añade a la masa de reacción. Para ver esto, si, por ejemplo,
Parcela de eficacia de la propulsión instantánea (azul) y la eficiencia general de un vehículo acelera desde el reposo (rojo) como porcentajes de la eficiencia del motor
= 10 km / s y la velocidad del cohete está a 3 km / s, entonces la velocidad de una pequeña cantidad de gastados cambios masa de reacción entre 3 km / s hacia delante a 7 km / s hacia atrás. Por lo tanto, mientras que la energía requerida es de 50 MJ por kg de masa de reacción, sólo 20 MJ se utiliza para el aumento de la velocidad de la masa de reacción. El 30 MJ restante es el aumento de la energía cinética del cohete y la carga útil.
En general:
Por lo tanto la ganancia de energía específica del cohete en cualquier intervalo de tiempo pequeña es la ganancia de energía del cohete incluyendo el combustible restante, dividido por su masa, donde la ganancia de energía es igual a la energía producida por el combustible menos la ganancia de energía de la reacción masa. Cuanto mayor sea la velocidad del cohete, la más pequeña es la ganancia de energía de la masa de reacción; si la velocidad del cohete es más de la mitad de la velocidad de escape de la masa de reacción incluso pierde energía en ser expulsado, en beneficio de la ganancia de energía del cohete ; cuanto mayor sea la velocidad del cohete, cuanto mayor sea la pérdida de energía de la masa de reacción.
Tenemos
donde
es la energía específica del cohete (energía potencial más cinético) y es una variable independiente, no sólo el cambio en . En el caso de utilizar el cohete para la desaceleración, es decir, extrusión masa de reacción en la dirección de la velocidad,
debe tomarse negativo.
La fórmula es para el caso ideal de nuevo, sin energía perdida en calor, etc Esta última provoca una reducción de empuje, por lo que es una desventaja incluso cuando el objetivo es perder energía (deceleración).
Si la energía es producida por la masa en sí, como en un cohete químico, el valor de combustible tiene que ser
, Donde para el valor de combustible también la masa del oxidante tiene que ser tomada en cuenta. Un valor típico es
= 4.5 km / s, correspondiente a un valor de combustible de 10,1 MJ / kg. El valor real de combustible es mayor, pero gran parte de la energía se pierde en forma de calor en los gases de escape que la boquilla no pudo extraer.
La energía requerida
es
Conclusiones:
para
tenemos
para una determinada
, Se necesita la energía mínima si , Lo que requiere una energía de
.
En el caso de la aceleración en una dirección fija, y empezando desde la velocidad cero, y en ausencia de otras fuerzas, esto es 54.4% más que la energía cinética final de la carga útil. En este caso óptimo de la masa inicial es 4,92 veces la masa final.
Estos resultados son válidos para una velocidad de escape fijo.
Debido a la efecto Oberth y partiendo de una velocidad distinta de cero, la energía potencial requerida necesaria del propelente puede ser menor que el aumento de energía en el vehículo y la carga útil. Este puede ser el caso cuando la masa de reacción tiene una velocidad inferior después de haber sido expulsados que antes - cohetes son capaces de liberar algunas o todas de la energía cinética inicial de la propelente.
Además, para un objetivo dado como pasar de una órbita a otra, la necesaria
puede depender en gran medida de la velocidad a la que el motor puede producir
y maniobras, incluso puede ser imposible si esa tasa es demasiado baja. Por ejemplo, el lanzamiento de LEO normalmente requiere un
de CA. 9.5 km / s (sobre todo para la velocidad que se adquiere), pero si el motor podría producir a un ritmo de sólo un poco más de g , que sería un lanzamiento lento que requiere todo un gran
(Piense en cierne sin hacer ningún progreso en la velocidad o la altitud, que costaría un
de 9,8 m / s cada segundo). Si la tasa es posible sólo o menos, la maniobra puede no llevarse a cabo en absoluto con este motor.
El poder es dado por
donde
es el empuje y la aceleración debida a la misma. Así, la teoría de los grandes ejes por unidad de potencia es 2 dividido por el impulso específico en m / s. La eficacia del empuje es el empuje real como porcentaje de esto.
Si por ejemplo, la energía solar se utiliza esto restringe
; En el caso de un gran la posible aceleración es inversamente proporcional a ella, por lo tanto, el tiempo para alcanzar un delta-V requerida es proporcional a
; Con una eficiencia del 100%:
para
tenemos
Ejemplos:
potencia 1000 W, de masa 100 kg,
= 5 km / s, = 16 km / s, tarda 1,5 meses.
potencia 1000 W, de masa 100 kg,
= 5 km / s, = 50 km / s, tarda 5 meses.
Así
no debe ser demasiado grande.
Poder relación empuje a
El poder de la relación de empuje es simplemente:
Por lo tanto para cualquier potencia del vehículo P, el empuje que puede proporcionarse es:
Ejemplo
Supongamos que queremos enviar una sonda espacial a Marte 10.000 kg. El requerido
de LEO es de aproximadamente 3.000 m / s, con una órbita de transferencia de Hohmann . Por el bien del argumento, digamos que los siguientes propulsores se pueden utilizar:
* - Asume una potencia específica de 1kW/kg
Observe que los motores más eficientes en combustible pueden usar mucho menos combustible, y su masa es casi insignificante (en relación a la masa de la carga útil y el propio motor) para algunos de los motores. Sin embargo, tenga en cuenta también que estos requieren una gran cantidad de energía total. Para el lanzamiento de la Tierra, motores requieren un empuje relación en peso de más de una a. Para hacer esto con el ion o accionamientos eléctricos más teóricos, el motor tendría que ser suministrado con uno a varios gigavatios de energía - el equivalente a una importante área metropolitana central de generación . De la tabla se puede ver que este es claramente poco práctico con fuentes de energía actuales.
Enfoques alternativos incluyen algunas formas de propulsión láser , donde la masa de reacción no proporciona la energía requerida para acelerar, con la energía en lugar de ser proporcionado a partir de un láser externo u otro poder vigas sistema. Pequeños modelos de algunos de estos conceptos han volado, aunque los problemas de ingeniería son complejos y los sistemas de energía basados en tierra no son un problema resuelto.
En cambio, un generador mucho más pequeño, menos potente se puede incluir que se llevará mucho más tiempo para generar la energía total necesaria. Este menor consumo de energía sólo es suficiente para acelerar una pequeña cantidad de combustible por segundo, y sería insuficiente para el lanzamiento desde la Tierra. Sin embargo, durante largos períodos en órbita donde no hay fricción, se conseguirá finalmente la velocidad. Por ejemplo, se tomó la SMART-1 más de un año para llegar a la Luna, mientras que con un cohete químico se tarda unos pocos días. Debido a que el motor de iones necesita mucho menos combustible, la masa total en marcha suele ser más baja, que normalmente se traduce en un menor coste total, pero lleva más tiempo.
Por lo tanto, la planificación de la misión implica con frecuencia el ajuste y la elección del sistema de propulsión a fin de minimizar el costo total del proyecto, y puede implicar la negociación fuera los costes de lanzamiento y duración de la misión contra la fracción de la carga útil.
Motores de los cohetes
La mayoría de los motores de los cohetes son de combustión interna motores térmicos (aunque existen formas no la combustión).Motores espaciales generalmente producen una masa de reacción de alta temperatura, en forma de gas caliente. Esto se logra mediante la combustión de un combustible sólido, líquido o gaseoso con un oxidante dentro de una cámara de combustión. Se permite entonces que el gas extremadamente caliente para escapar a través de una alta relación de expansión de la boquilla . Esta boquilla en forma de campana es la que da un motor de cohete su forma característica. El efecto de la boquilla es acelerar drásticamente la masa, la conversión de la mayor parte de la energía térmica en energía cinética. Velocidad de escape de llegar tan alto como 10 veces la velocidad del sonido al nivel del mar son comunes.
Motores espaciales proporcionan esencialmente los más altos poderes específicos y grandes empujes específicas de cualquier motor de propulsión nave espacial.
Cohetes de propulsión de iones puede calentar un plasma o gas cargado dentro de una botella magnética y lo liberan a través de una tobera magnética , de manera que no es necesario que la materia sólida entre en contacto con el plasma. Por supuesto, la maquinaria de hacer esto es complejo, pero la investigación en la fusión nuclear ha desarrollado métodos, algunos de los cuales se han propuesto para ser utilizado en sistemas de propulsión, y algunos han sido probado en un laboratorio.
Vea motor de cohete para una lista de los diversos tipos de motores de cohete por medio de diferentes métodos de calentamiento, incluyendo química, eléctrica, solar y nuclear.
Propulsión electromagnética
Propulsión nave espacial con accionamiento eléctrico,
En lugar de confiar en la alta temperatura y la dinámica de fluidos para acelerar la masa de reacción a altas velocidades, hay una variedad de métodos que utilizan electrostáticas o electromagnéticas fuerzas para acelerar la masa de reacción directamente. Por lo general, la masa de reacción es una corriente de iones . Tal un motor normalmente utiliza la energía eléctrica, primero para ionizar los átomos, y luego para crear un gradiente de voltaje para acelerar los iones a altas velocidades de escape.
La idea de la propulsión eléctrica se remonta a 1906, cuando Robert Goddard consideró la posibilidad en su cuaderno personal. [12]Konstantin Tsiolkovsky publicó la idea en 1911.
Para estas unidades, a las velocidades de escape más altas, la eficiencia energética y el empuje son inversamente proporcional a la velocidad de escape. Su muy alta velocidad de escape significa que requieren grandes cantidades de energía y por lo tanto con fuentes de energía prácticos proporcionan bajo empuje, pero el uso de casi cualquier combustible.
Para algunas misiones, particularmente razonablemente cerca del sol, la energía solar puede ser suficiente, y muy a menudo se ha utilizado, pero para otros más alejados o de mayor potencia, es necesaria la energía nuclear; motores de dibujo de su energía de una fuente nuclear se llaman nuclear cohetes eléctricos .
Con cualquier fuente de corriente de la energía eléctrica, química, nuclear o solar, la cantidad máxima de energía que puede ser generada limita la cantidad de empuje que puede ser producido a un valor pequeño. La generación de energía añade masa significativa a la nave espacial, y finalmente el peso de la fuente de energía limita el rendimiento del vehículo.
Generadores de energía nuclear actuales son aproximadamente la mitad del peso de los paneles solares por vatio de la energía suministrada, a distancias terrestres del sol.Generadores de energía química no se utilizan debido a la energía total disponible mucho menor. Potencia transmitida a la nave espacial muestra cierto potencial.
Algunos métodos electromagnéticos:
Propulsores de iones (acelerar iones primero y luego neutralizar el haz de iones con un haz de electrones emitidos por un cátodo llama un neutralizador)
Propulsores electrotérmicos (campos electromagnéticos se utilizan para generar un plasma para aumentar el calor del propelente mayor, la energía térmica impartida a la del gas propelente a continuación, se convierte en energía cinética por una boquilla de cualquiera de material de construcción física o por medios magnéticos)
Propulsores electromagnéticos (iones se aceleran, ya sea por la fuerza de Lorentz o por el efecto de los campos electromagnéticos en el que el campo eléctrico no es en la dirección de la aceleración)
Conductores de masas (para la propulsión)
En electrotérmico y propulsores electromagnéticas, tanto los iones y los electrones son acelerados simultáneamente, no se requiere un neutralizador.
Sin reacción interna masiva
Sin reacción interna masiva
La ley de la conservación de impulso se toma generalmente para implicar que cualquier motor que no usa masa de reacción no puede acelerar el centro de masa de una nave espacial (cambiar la orientación, por otro lado, es posible). Pero el espacio no está vacío, sobre todo el espacio en el interior del Sistema Solar, hay campos de gravitación, los campos magnéticos , ondas electromagnéticas , el viento solar y la radiación solar. Las ondas electromagnéticas, en particular, se sabe que contienen el impulso, a pesar de ser sin masa, en concreto la P densidad de flujo del impulso de una onda EM es cuantitativamente veces 1 / c el vector de Poynting S, es decir, P = S/ c, donde c es la velocidad de la luz. propulsión Campo métodos que no dependen de la masa de reacción por lo tanto deben tratar de tomar ventaja de este hecho mediante el acoplamiento a un campo impulso de soporte tal como una onda electromagnética que existe en las proximidades de la nave. Sin embargo, dado que muchos de estos fenómenos son difusas en la naturaleza, las estructuras de propulsión correspondientes deben ser proporcionalmente grande.
Existen diferentes tipos de unidades de espacio que necesitan masa de reacción poco o nada para funcionar. Una propulsión correa sistema emplea un cable largo con una alta resistencia a la tracción para cambiar la órbita de una nave espacial, como por la interacción con el campo magnético de un planeta o por medio de intercambio de momento con otro objeto. Las velas solares se basan en la presión de radiación de energía electromagnética, pero que requieren una superficie de recogida grande para funcionar de manera eficaz. La vela magnética desvía las partículas cargadas del viento solar con el campo magnético, lo que confiere un impulso a la nave espacial. Una variante es la propulsión de plasma-mini magnetosférica sistema, que utiliza una pequeña nube del plasma en un campo magnético para desviar las partículas cargadas del sol. Un E-vela usaría alambres muy delgados y ligeros que sostiene una carga eléctrica para desviar estas partículas, y puede tener direccionalidad más controlable.
Como prueba de concepto, la NanoSail-D se convirtió en el primero de nanosatélites en orbitar la Tierra . Hay planes para añadir los [para los futuros satélites de órbita terrestre, lo que les permite sacar de órbita y se queman una vez que ya no son necesarios. Cube vela se dirige a atacar la basura espacial .
Japón también ha lanzado sus propios vela solar nave espacial impulsada IKAROS en Mayo 2010. IKAROS demostró con éxito la propulsión y guía y todavía está volando hoy.
Un satélite u otro vehículo espacial está sujeta a la ley de conservación del momento angular , lo que limita un cuerpo a partir de un cambio neto en la velocidad angular . Por lo tanto, para un vehículo para cambiar su orientación relativa sin gastar masa de reacción, otra parte del vehículo puede girar en la dirección opuesta. Fuerzas externas no conservadoras, principalmente gravitacional y de la atmósfera, pueden contribuir hasta varios grados por día para el momento angular, por lo que los sistemas secundarios están diseñados para "purgar" energías de rotación no deseados acumulado con el tiempo. En consecuencia, muchas naves espaciales utilizan ruedas de reacción o de los giroscopios de control de momento para controlar la orientación en el espacio.
Un tirachinas gravitatorio puede transportar una sonda espacial hacia adelante a otros destinos sin el gasto de la masa de reacción. Por el aprovechamiento de la energía gravitacional de otros objetos celestes, la nave espacial puede recoger la energía cinética. Sin embargo, aún más energía se puede obtener de la ayuda de la gravedad, si se utilizan cohetes.
El propulsor de plasma al vacío cuántico es un propulsor teórico que utiliza las fluctuaciones del vacío cuántico para propulsar una nave espacial.
Propulsión Planetaria y de la atmósfera
Propulsión Planetaria y de la atmósfera
Estudio de la NASA de una vela solar. La vela sería la mitad de un kilómetro de ancho.
6 kW Salón de proa en funcionamiento en el NASA Jet Propulsion Laboratory .
Este motor de prueba acelera iones mediante fuerzas electrostáticas
SpaceX 's motor Kestrel se prueba
Mecanismos de lanzamiento
Mecanismos de lanzamiento
Alto empuje es de vital importancia para el lanzamiento de la Tierra. De empuje tiene que ser mayor que el peso (véase también la gravedad de arrastre ). Muchos de los métodos de propulsión por encima de dar una relación de empuje / peso de mucho menos de 1, y así no se puede utilizar para el lanzamiento.
Todos los motores de cohetes uso nave química actuales ( bipropelente o combustible sólido ) para el lanzamiento. Se han propuesto otras fuentes de energía, como la nuclear y probado, pero hasta el momento las consideraciones de seguridad, ambientales y políticos han limitado su uso.
Una de las ventajas que tiene la nave espacial en el lanzamiento es la disponibilidad de la infraestructura en tierra para ayudarles. Propuesta no cohetes spacelaunch mecanismos de lanzamiento en tierra asistida incluyen:
Ascensor espacial (una correa de sujeción a la órbita geoestacionaria)
Bucle de lanzamiento (un bucle cerrado que gira muy rápido a unos 80 km de altura)
Fuente Espacial (un edificio muy alto sostenido por una corriente de masas despedido de base)
Anillo orbital (un anillo alrededor de la Tierra con los rayos que cuelga fuera de los rodamientos)
Skyhook Hypersonic (una correa orbital que hace girar rápidamente)
Catapulta electromagnética ( railgun , cañón Gauss ) (una pistola eléctrica)
Arma espacial ( Proyecto HARP , acelerador de ram ) (una pistola químicamente)
Propulsión con motor Viga cohetes y aviones propulsados desde el suelo a través de un rayo
Plataformas de gran altitud para ayudar etapa inicial
El océano conceptual situadoQuicklauncher , un cañón de gas ligero
Una prueba exitosa del concepto Lightcraft prueba, un subconjunto de propulsión haz de potencia .
Motores Airbreathing
Motores Airbreathing
Generalmente, los estudios muestran que los motores de aspiración de aire convencionales, como ramjets o turborreactores son básicamente demasiado pesados (tienen una relación muy baja de empuje / peso) para dar una mejora significativa del rendimiento cuando se instala en un mismo vehículo de lanzamiento. Sin embargo, los vehículos de lanzamiento pueden ser aire lanzados desde vehículos elevadores separados (por ejemplo, B-29 , Pegasus Rocket y White Knight ) que hacen uso de este tipo de sistemas de propulsión. Los motores a reacción montados sobre un carril de lanzamiento también podrían ser tan acostumbrados.
Por otra parte, se han propuesto los motores de velocidad muy ligeros o muy altos que se aprovechan del aire durante el ascenso:
SABRE - un hidrógeno ligero alimentado turborreactor con preenfriador
ATREX - un hidrógeno ligero alimentado turborreactor con preenfriador
Motor de ciclo de aire líquido - un motor a reacción de hidrógeno alimentada que licúa el aire antes de grabarlo en un motor de cohete
Scramjet motores a reacción que utilizan combustión supersónica -
Vehículos normales de lanzamiento de cohetes vuelan casi verticalmente antes de rodar sobre a una altura de varias decenas de kilómetros antes de la quema de lado de la órbita; este iniciales desechos ascenso vertical propulsor, pero es óptimo, ya que reduce en gran medida airdrag. Motores Airbreathing queman propulsor mucho más eficiente y esto permitiría una trayectoria de lanzamiento mucho más plano, los vehículos se suelen volar aproximadamente tangencial a la superficie de la tierra hasta salir de la atmósfera a continuación, realizar una quema de cohetes para cerrar la final delta-v de la velocidad orbital.
Llegada Planetaria y aterrizaje
Llegada Planetaria y aterrizaje
Cuando un vehículo es entrar en órbita alrededor de su planeta de destino, o cuando se encuentre a la tierra, debe ajustar su velocidad.Esto se puede hacer uso de todos los métodos mencionados anteriormente (siempre y cuando puedan generar un empuje lo suficientemente alta), pero hay algunos métodos que pueden tomar ventaja de las atmósferas y / o las superficies planetarias.
Aerofrenado permite a una nave espacial para reducir el punto culminante de una órbita elíptica de cepillos repetidos con la atmósfera en el punto más bajo de la órbita. Esto puede ahorrar una cantidad considerable de combustible, ya que toma mucho menos delta-V para entrar en una órbita elíptica en comparación con una órbita circular baja. Puesto que el frenado se realiza en el transcurso de muchas órbitas, calefacción es comparativamente menor, y no se requiere un escudo de calor. Esto se ha hecho en varias misiones a Marte, como la Mars Global Surveyor , Mars Odyssey y Mars Reconnaissance Orbiter , y al menos una misión Venus, Magellan .
Aerocaptura es una maniobra mucho más agresivo, la conversión de una órbita hiperbólica entrante a una órbita elíptica en una sola pasada. Esto requiere de un escudo térmico y la navegación mucho más complicado, ya que debe ser completado en una sola pasada a través de la atmósfera, ya diferencia de aerofrenado ninguna vista previa de la atmósfera es posible. Si la intención es para permanecer en órbita, a continuación, se requiere al menos una maniobra más de propulsión después de aerocaptura-de lo contrario el punto más bajo de la órbita resultante permanecerá en la atmósfera, lo que resulta en la eventual re-entrada. Aerocaptura aún no se ha probado en una misión planetaria, pero el reingreso saltar por Zond 6 y Zond 7 al regresar lunar fueron maniobras aerocaptura, desde que cumplieron una órbita hiperbólica en una órbita elíptica. En estas misiones, ya que no hubo ningún intento de elevar el perigeo después de la aerocaptura, la órbita resultante todavía cruzaba la atmósfera, y el reingreso se produjo en la próxima perigeo.
un Ballute es un dispositivo de arrastre inflable
Parachutes pueden aterrizar una sonda en un planeta o la luna con una atmósfera, por lo general después de la atmósfera ha fregado la mayor parte de la velocidad, el uso de un escudo térmico .
Las bolsas de aire se puede suavizar el aterrizaje final.
Lithobraking , o deteniendo simplemente estrellarse contra el objetivo, se hace generalmente por accidente. Sin embargo, puede hacerse deliberadamente con la sonda se espera para sobrevivir (véase, por ejemplo, Deep Space 2 ), en cuyo caso se requieren sondas muy robustas y bajas velocidades de aproximación.
Métodos hipotéticos
Métodos hipotéticos
Una variedad de técnicas de propulsión hipotéticos han considerado que requeriría completamente nuevos principios de la física para realizar o que puede no existir. Hasta la fecha, estos métodos son altamente especulativas e incluyen:
Alcubierre drive (una forma de unidad de Warp )
Los agujeros de gusano - teóricamente posible, pero en la práctica unachieveable con la tecnología actual
Unidades sin reacción - quebranta la ley de conservación del momento ; teóricamente imposible
EmDrive - intente eludir la ley de conservación del momento, puede ser teóricamente imposible
A " hiperespacio unidad "en base a la teoría de Heim
Micronewton propulsor electromagnética - la pérdida de la cantidad de movimiento se ha solicitado para un propulsor accionado electromagnéticamente
Una evaluación de la NASA se encuentra en Marc Millis T Evaluando avances propulsión potenciales (2005) y una visión general de investigación de la NASA en esta área es en Breakthrough Propulsion Física .
Tabla de métodos
Tabla de métodos
A continuación se muestra un resumen de algunos de los más populares, tecnologías probadas, seguido de métodos cada vez más especulativos.
Se muestran cuatro números. La primera es la velocidad de escape eficaz : la velocidad equivalente que el propulsor deja el vehículo. Esto no es necesariamente la característica más importante del método de propulsión; empuje y el consumo de energía y otros factores pueden ser. Sin embargo:
si el delta-v es mucho más que la velocidad de escape, entonces son cantidades exorbitantes de combustible necesario (véase la sección sobre cálculos, más arriba)
si es mucho más que el delta-V, a continuación, se necesita proporcionalmente más energía; si la potencia es limitada, como con la energía solar, esto significa que el trayecto dura un tiempo proporcionalmente más largos
La segunda y tercera son las cantidades típicas de empuje y los tiempos de combustión típicas del método. Fuera de un gravitacionales potenciales pequeñas cantidades de empuje aplicadas durante un largo período dará el mismo efecto que una gran cantidad de impulso en un período corto. (Este resultado no se aplica cuando el objeto es significativamente influenciado por la gravedad.)
El cuarto es el delta-v máximo esta técnica puede dar (sin puesta en escena). Para los sistemas de propulsión de cohetes de este tipo es una función de la fracción de masa y la velocidad de escape. Fracción de masa para sistemas de cohetes, como es generalmente limitada por el peso del sistema de propulsión y el peso del tanque. Para un sistema para alcanzar este límite, típicamente la carga útil puede necesitar ser un porcentaje insignificante del vehículo, y por lo que el límite práctico en algunos sistemas puede ser mucho menor.
Concepción de un diseño de motor de curvatura del artista
Una versión de prueba del sistema de airbag Mars Pathfinder
Pruebas
Pruebas
Sistemas de propulsión de la nave espacial están a menudo primero estáticamente probados en la superficie de la Tierra, dentro de la atmósfera, pero muchos sistemas requieren un cámara de vacío para poner a prueba totalmente. Rockets suelen ser probado en una instalación de pruebas de motores de cohetes , así fuera de la vivienda y otros edificios por razones de seguridad. unidades de iones son mucho menos peligrosos y requieren mucho menos estrictas de seguridad, por lo general sólo se necesita una cámara de vacío de gran ish.
Localizaciones de los ensayos estáticos famosos se pueden encontrar en Rocket Ground Prueba Instalaciones
Algunos sistemas no se pueden probar de manera adecuada en el suelo y lanzamientos de prueba se pueden emplear a un Rocket Launch Site .
Ver también
Ver también
Notas
Notas
Con las cosas moverse en órbitas y nada para permanecer inmóvil, la pregunta puede hacerse bastante razonable, inmóvil en relación a qué? La respuesta es para que la energía sea cero (y en ausencia de gravedad lo que complica un poco el asunto), los gases de escape debe detenerse en relación con el movimiento inicial del cohete antes de que los motores se encendieron. Es posible hacer cálculos de otros marcos de referencia, pero la consideración de la energía cinética de los gases de escape y el propelente es necesario dar. En la mecánica newtoniana la posición inicial del cohete es la del centro de masas para el cohete / propulsor / escape, y tiene la energía mínima de cualquier marco.
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