پيشرانهاي فضايي، ابزاري براي تغيير سرعت موشكها، ماهواره‌ها و فضاپيماها هستند. آنها روشهاي متفاوتي براي توليد شتاب در سيستمهاي فضايي دارند كه هر كدام مزايا و معايب خاص خود را دارد كه با توجه به نوع كاربرد، در سفر به فضا و يا كنترل وسيله فضايي در مدار از آنها استفاده‌هاي متفاوتي مي‌شود.
اكثر پيشرانهاي امروزي بر مبناي افزايش انرژي جنبشي سوخت و خروج سريع آنها از دهانه خروجي استوار مي‌باشند. در اينگونه سيستمها به سوخت به اصطلاح داغ شده مجال داده مي‌شود تا از مجرايي به بيرون فرار كند. سرعت بسيار زياد گازهاي خروجي طبق قانون سوم نيوتن مجموعه موتور و هرآنچه را كه به آن متصل است را در جهت مخالف خروج گازها به جلو هل خواهد داد. اين نوع از پيشرانهاي فضايي را موتورهاي راكت مي‌نامند. موتورهاي راكت با توجه به فرآيند كسب انرژي توسط گازهاي خروجي به دو دسته راكتهاي شيميايي و راكتهاي غير شيميايي تقسيم مي‌شوند. اكثر فضاپيماها از راكتهاي شيميايي استفاده مي‌كنند. در اينگونه موتورها ماده شيميايي قابل اشتعالي در مجاورت اكسيدكننده مناسبي قرار گرفته و شرايط لازم براي احتراق تركيب فراهم مي‌شود. حاصل احتراق گازهاي پرانرژي و داغي است كه مأموريت توليد پيشران را به عهده دارند. اين دسته از موتورها با توجه به نوع سوخت و اكسيدكننده به دو دسته كلي تقسيم مي‌شوند. موتورهاي سوخت جامد و موتورهاي سوخت مايع كه موتورهاي سوخت مايع خود دو نوع دارد. بعضي انواع موتورهاي سوخت مايع كه براي عمل در اتمسفر زمين طراحي مي‌شوند مكنده بوده و اكسيد كننده خود را كه همان اكسيژن هوا است از راه مكش هوا به داخل موتور به دست مي‌آورند. اين عمل نظير رفتار موتورهاي جت هواپيماهاي جنگي است. نوع دوم موتورهايي است كه اكسيد كننده در داخل مجموعه حمل مي‌شود مانند بسياري از موشك‌هاي فضايي يا جنگي.
امروزه يكي از قديمي‌ترين و در عين حال مدرن‌ترين موتورهاي فضايي غيرشيميايي، موتورهايي با پيشرانه‌هاي يوني هستند. اين موتورها كه در دسته موتورهاي الكتريكي جاي مي‌گيرند و در حال حاضر در چند پروژه مهم فضايي مورد استفاده قرار گرفته و به خوبي پاسخگوي نيازمنديها بوده‌اند. جالب است كه ايده استفاده از نيروي الكتريسيته براي توليد پيشران به سالهاي اوليه توليد و گسترش موتورهاي موشك باز‌مي‌گردد اما به دليل محدوديتهاي فناوري در آن روزگار اين ايده تا به امروز عملياتي نشده بود. در اينگونه موتورها جريان سريع محصولات داغ احتراق جاي خود را به جرياني بسيار سريعتر از يونهاي پرانرژي مي‌دهند. |
|
اين موتورها نيروي پيشران بسيار اندكي توليد مي‌كنند اما در مقابل مصرف آنها فوق‌العاده ناچيز است. از اين رو اين قبيل موتورها صرفاً براي استفاده بسيار طولاني مدت كه زمان كافي جهت افزايش سرعت وجود داشته باشد، كاربرد دارند.
يون يك تك اتم يا مجموعه‌اي از اتمها است كه با از دست دادن و يا به دست آوردن تعدادي الكترون، حالت خنثي الكتريكي خود را از دست مي‌دهد و تقارن بين تعداد پروتون‌هاي هسته و الكترونهاي پوسته در اين حالت به هم مي‌ريزد. اگر اتم تعداد الكترون بيشتري نسبت به پروتون داشته باشد به آن يون منفي يا آنيون گويند و در صورتي كه تعداد الكترون كمتر از پروتون باشد به آن كاتيون يا يون مثبت مي‌گويند.
در موتورهاي الكتريكي روشهاي متفاوتي براي شتاب دادن به يونها وجود دارد كه تمام آنها يك نقطه مشترك دارند و آن اين است كه با تأمين نسبت شارژ به جرم بسيار زياد، يونها را تا آنجا كه مي‌شود با سرعت بيشتري به بيرون پرتاب مي‌كنند. سرعت خروج گازهاي يونيده شده در اين گونه موتورها گاهي تا بيش از 10 برابر موتورهاي شيميايي مي‌باشد اما از آنجاييكه جرم گازهاي خروجي بسيار كمتر از پيشرانه‌هاي شيميايي است، پيشرانش (تراست) اينگونه موتورها خيلي كمتر از اسلاف شيميايي آنها است.
موتورهاي يوني انواع متنوعي دارد كه بعضي از آنها ساخته شده و به كار گرفته شده‌اند و پاره‌اي ديگر در حد نظر و نقشه هستند. ساده‌ترين موتور يوني پيشنهاد شده تا كنون، موتور الكترواستاتيكي است كه ساختمان و طريقه عملكرد ساده‌تري نسبت به همتايان مدرن خود دارد. در يك پيشرانه يوني الكترواستاتيكي، گاز نسبتاً سنگيني (نيروي پيشران موتور به حاصل‌ضرب دو عامل سرعت خروجي گازها و جرم آنها وابسته است) مانند آرگون با جرم اتمي 40 گرم بر مول يا بخار جيوه با جرم اتمي 200 گرم بر مول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
ابتدا اتمهاي سوخت، در حالت طبيعي خود، از روزنه كوچكي وارد محفظه موتور مي‌شوند و در آنجا توسط الكترونهاي حاصل از يك تفنگ الكتروني (مانند آنچه در لامپ تصوير تلويزيونها وجود دارد) بمباران مي‌شوند. برخورد الكترونهاي سريع به اتمهاي گاز باعث مي‌شود كه اتمها يك يا چند الكترون از دست داده و به شكل يون مثبت درآيند. الكترونهاي آزاد شده خود در نقش بمبهاي جديد عمل كرده و فرآيند يون‌سازي شتاب مي‌گيرد. در ديواره محفظه موتور حلقه‌هاي مغناطيسي مخصوصي نصب شده تا با سرعت دادن به الكترونها، فرآيند بمباران را بهبود بخشند. الكترونها پس از برخورد با اتمها و از دست دادن انرژي خود، در نهايت توسط ديواره محفظه و يا شبكه توري با بار مثبت كه در انتهاي موتور قرار دارد، جذب مي‌شوند و جاي خود را به الكترونهاي تازه‌نفس مي‌دهند. |
|
يونهاي مثبت بر اثر خاصيت پخش اتمي، سرانجام از منافذ شبكه توري با بار مثبت عبور كرده و وارد ميدان الكتريكي بسيار قوي بين دو شبكه مثبت و منفي مي‌شوند. اختلاف پتانسيل بسيار شديد بين دو شبكه باردار مثبت و منفي باعث مي‌شود كه يونها به سمت توري محتوي بار منفي شتاب بگيرند. پتانسيل الكتريكي شبكه مثبت بسيار بيشتر از پتانسيل الكتريكي شبكه منفي انتخاب مي‌شود. از اين رو يونهاي مثبت بيشتر از آنكه تحت تأثير جاذبه شبكه منفي باشند، از دافعه شبكه مثبت پيروي مي‌نمايند. اين امر باعث مي‌شود كه تعداد بسيار زيادي از يونها قادر به فرار از منافذ شبكه منفي شوند. فرار بسيار سريع يونهاي مثبت از انتهاي موتور بر طبق قانون سوم نيوتن باعث توليد نيروي پيشراني در جهت خلاف حركت يونها مي‌شود.
اگر يك موتور يوني به اين شيوه به كار خود ادامه دهد، رفته رفته تجمع بار منفي در موتور افزايش يافته و سيستم حالت خنثي خود را از دست خواهد داد. از اين رو در اينگونه موتورها يك تفنگ الكتروني اضافي در پشت موتور به گونه‌اي نصب شده است كه الكترونهاي پرتاب شده با يونهاي مثبت برخورد نموده و علاوه بر آنكه اتم را به حالت خنثي تبديل مي‌كنند، باعث تخليه بار منفي تجمعي موتور نيز مي‌شوند. چنانچه مجموعه موتور و يا سفينه فضايي حامل آن از نظر بار الكتريكي خنثي نباشد باعث ايجاد ميدان الكتريكي مضاعف در پشت شبكه مثبت، جايي بين اين شبكه و محفظه اصلي موتور خواهد شد. ايجاد چنين ميداني حركت يونهاي مثبت به سمت خروجي موتور را مختل كرده و سيستم كار نخواهد كرد.
سرعت گازهاي خروجي از يك موتور نه‌چندان كارآمد يوني باز هم به مراتب از سرعت گازهاي خروجي يك موتور شيميايي بيشتر است. در موتورهاي اوليه يوني اين سرعت به حدود 30 كيلومتر بر ثانيه مي‌رسيد كه امروزه تا حدود 200 كيلومتر بر ثانيه افزايش يافته است. در مقابل سرعت گازهاي خروجي يك موتور شيميايي بين 3 تا 5 كيلومتر بر ثانيه است. هرچند سرعت گازهاي خروجي بسيار زياد است اما از آنجاكه جرم مصرفي به عنوان سوخت خيلي اندك مي‌باشد، نيروي پيشران چنين موتورهاي بسيار كم است. اما در مقابل اين گونه موتورها مي‌توانند مدت زمان زيادي تا حدود 2 سال مداوم كار كرده و اندك اندك سرعت سفينه را افزايش دهند. اغلب نيرويي كه توسط چنين موتورهايي توليد مي‌شود در حد وزن يك برگ كاغذ است. چنين نيروي پيشران اندكي مي‌تواند يك سفينه فضايي را با توجه به جرم آن با شتابي در حد يك ده هزارم تا يك ميليونيوم شتاب جاذبه زمين به حركت وادارد.
در سفرهاي اكتشافي فضا و يا ماهواره‌هاي زمين‌آهنگي كه براي مدت طولاني به دور زمين مي‌چرخند، استفاده از چنين موتورهايي توجيه دارد. مدت زمان طولاني چنين مأموريتهايي به طراحان اجازه مي‌دهد كه با استفاده از نيروي پيشران اندك اين موتورها، تغيرات دلخواه سرعت را به دست آورند. مصرف انرژي الكتريكي اين موتورها بين 2 تا 25 كيلووات بوده كه تأمين چنين انرژي زيادي نيز خود مشكل تكنيكي ديگري است.
اكنون سفرهاي فضايي انگشت‌شماري از موتورهاي يوني به عنوان پيشران استفاده كرده‌اند كه از آن‌جمله مي‌توان به ديپ اسپيس-1 كه در 24 اكتبر 1998 توسط ناسا پرتاب شد، اسمارت-1 كه در 27 سپتامبر 2003 به قصد گردش به دور ماه توسط اِسا به فضا فرستاده شد و كاوشگر فضايي هايابوسا كه توسط آژانس فضايي ژاپن در 9 مي 2003 به قصد كاوش خرده‌سيارك سيب‌زميني شكل ايتوكاوا راهي بيكران فضا گرديد، اشاره نمود.
| براي نمونه مشخصات موتور يوني ديپ‌اسپيس-1 به قرار زير است: قطر : 30 سانتي‌متر وزن : 8 كيلوگرم ضربه ويژه : 3100 ثانيه پيشرانش : 20 تا 92 ميلي‌نيوتن سرعت خروج يونها : 30 كيلومتر بر ثانيه وزن گاز زنون به عنوان سوخت : 5/81 كيلوگرم مدت زمان كاركرد : 20 ماه تغيير سرعت نهايي 5/4 كيلومتر بر ثانيه |
|
در مورد كاوشگر هايابوسا كه مأموريت ويژه‌اي را انجام داد وضع به گونه ديگري بود. لزوم رسيدن به خرده سيارك ايتوكاوا با سرعتي معقول، قرارگيري در مدار مشابه هدف، تعقيب ايتوكاوا با سرعتي برابر سرعت مداري آن و دور و نزديك شدن به سيارك با سرعتي بسيار آرام لزوم استفاده از چنين موتور قابل كنترلي را دو چندان كرده بود. هايابوسا براي طي بيش از دو بيليون كيلومتر راه تا رسيدن به ايتوكاوا در مدت 25800 ساعت كار مداوم موتورهاي يوني خود فقط 29 كيلوگرم زنون مصرف كرد و به‌ازاي آن به اختلاف سرعتي معادل 1400 متر بر ثانيه دست يافت. نزديك شدن به ايتوكاوا در مراحل نمونه‌برداري با سرعت اندك 5 سانتي‌متر بر ثانيه كه به سيستم كنترل فرصت لازم براي تصحيحات ضروري را مي‌داد از ديگر كاربريهاي اين موتورهاي كم مصرف بود.
منبع : وبسايت دانش فضايي
براي کسب اطلاعات بيشتر در اين مورد، مراجعه فرماييد به:
0 نظر:
ارسال یک نظر