De experimentele ion-drive van de onderzoeker presteert beter dan de HiPEP-engine van NASA

Anonim

De experimentele ion-drive van onderzoekers overtreft de NASA HiPEP-engine

Fysica

David Szondy

25 september 2015

6 afbeeldingen

Dr. Patrick Neumann van de Universiteit van Sydney werkt aan de experimentele rit

Het lijkt alsof de leeftijd van de bench-top doorbraak in de raketwetenschap niet iets uit het verleden is. Dr. Patrick Neumann van de Universiteit van Sydney heeft een nieuwe ionendrive ontwikkeld als onderdeel van zijn proefschrift waarvan wordt beweerd dat hij de beste presteert die door NASA is bedacht. Volgens Neumann is zijn nieuwe schijf, die zich nog in de experimentele fase bevindt, efficiënter dan de nieuwste High Power Electric Propulsion (HiPEP) ionengine en houdt hij de belofte van "Mars en terug op een tank brandstof. "

Ion-motoren, die stuwkracht genereren door een drijfgas te ioniseren met behulp van een elektrisch of magnetisch veld, zijn een klassieke schildpad en de haas-technologie. Waar chemische raketten miljoenen kilo's stuwkracht kunnen genereren, kan een ionenaandrijving alleen het equivalent van het gewicht van een munt beheren. Chemische raketten kunnen echter maar een paar minuten branden, terwijl ionenmotoren duizenden uren kunnen branden. Dit betekent dat terwijl ionen aangedreven ruimtevaartuigen even vluchtig zijn als presse-papiers op aarde, als ze eenmaal in de ruimte zijn, ze snelheden kunnen bereiken die veel hoger zijn dan wat een chemische raket zou kunnen verwerken.

Het probleem is dat er niet één type ionenaandrijving is. In feite zijn er verschillende en elk heeft zijn voor- en nadelen. Sommige zijn heel eenvoudig, maar zijn uiterst inefficiënt. Anderen genereren veel stuwkracht, maar zijn zeer complex en zwaar. De kunst is om het juiste ontwerp te vinden volgens het juiste principe om de meest efficiënte resultaten te produceren.

De meest effectieve ionaandrijvingen die tegenwoordig worden gebruikt, zijn elektrostatische of elektromagnetische voortstuwingssystemen. Dat wil zeggen, ze werken door een gas te nemen, zoals xenon, het ioniseren door elektronenbombardement, radiofrequente excitatie, of andere methoden en dan het resulterende geïoniseerde gas of plasma te versnellen met behulp van een elektrostatisch rooster of een magneetveld.

Experimentele opstelling met de kathode, anode en spoel

De meest effectieve hiervan zijn die gebaseerd op het Hall-effect, dat een axiaal elektrisch veld en een radiaal magnetisch veld gebruikt waarin elektronen worden gespoten. Het magnetische veld houdt de elektronen op hun plaats en als een drijfgas wordt ingebracht, nemen ze een lading op. Omdat het gas zwaarder is dan de elektronen, kunnen, wanneer het elektrische veld wordt aangelegd, de gasatomen gemakkelijk ontsnappen uit het magnetische veld en worden versneld om stuwkracht te produceren.

Van alle topvluchtionen is de huidige prijswinnaar NASA's HiPEP-motor. Het maakt gebruik van een conventionele holle kathodeconfiguratie en een microgolf-elektronencyclotronconfiguratie om vermogensniveaus van 40 kW en uitlaatsnelheden van meer dan 90.000 meter per seconde (200.000 mph) te bereiken. Het is de recordhouder qua prestaties, maar dat kan veranderen als de Neumann-schijf wordt uitgeschakeld.

Volgens Neumann is zijn ionaandrijving een gepulseerde kathodische boogmotor en hoewel de theorie erachter een beetje betrokken is, is het mechanisch erg eenvoudig. Dit is niet verrassend, omdat het in veel opzichten lijkt op de eerste ionengine die vloog op de niet-geslaagde Sovjet Zond 2 Mars-sonde die in 1964 werd gelanceerd. Het werkte door een plastic plug op te warmen tot het kookte, waardoor het resulterende gas ioniseerde. en dan versnellen. Dit was een heel eenvoudige regeling, maar het Sovjetontwerp was niet erg efficiënt omdat het grootste deel van het gas relatief koel bleef, niet ioniseerde en de plasmastroom gewoonlijk blokkeerde, zoals het vullen van een afvoer met spekvet.

De Neumann-aandrijving onderscheidt zich van deze eerdere technologie doordat deze werkt volgens een principe dat vergelijkbaar is met dat van een booglasmachine. Een hoogspannings elektrische ontlading wordt in pulsen geschoten over het oppervlak van een plug van vast drijfgas, dat werkt als een kathode. Als het circuit is voltooid, verdampt de plug en wordt het een mengsel van ionen, elektronen en neutrale damp. Dit mengsel zet uit en wordt versneld door een anodering en vervolgens gefocusseerd door een magnetische ring in een pluim van stuwkracht.

Volgens Neumann is het resultaat een motor die al het voordeel heeft boven Hall thrusters omdat het veel eenvoudiger en mogelijk duurzamer is. Hall thrusters en soortgelijke systemen vertrouwen op cryogene gassen die bij extreem lage temperaturen moeten worden bewaard en vervolgens in de motor worden gevoerd. Dit betekent tanks, pompen en veel loodgieterij. Bovendien hebben krachtige motoren zoals HiPEP zeer fijne, zeer dichte roosters nodig om de ionen te versnellen en de elektrische lading van het ontsnappende drijfgas in balans te houden. Als dit niet zou gebeuren, zou het ruimtevaartuig een zeer hoge elektrische lading ontwikkelen, die de ontladen ionen zou terugtrekken en het vaartuig zou vertragen.

De Neumann-aandrijving daarentegen gebruikt een vaste plug van drijfgas van magnesium, titanium, vanadium, molybdeen of zelfs koolstof dat zich in de motorruimte bevindt en door de boog wordt weggebrand zonder de noodzaak van een van de leidingen van andere motoren. Er is ook geen raster. In HiPEP wordt het raster constant gebombardeerd tijdens operaties door atomen die de stuwkracht verminderen en wegslijten bij het gaas totdat grote gaten verschijnen en groeien en de aandrijving niet meer functioneert. Dat gebeurt niet in de Neumann-drive omdat de aard van de reactie zelfneutraliserend is.

De Neumann-aandrijving gebruikt een vaste plug van drijfgas van magnesium, titanium, vanadium, molybdeen of - hier afgebeeld - koolstof

De grootste factor in de Neumann-schijf is echter de prestaties. In tests ontdekte Neumann dat zijn motor niet kon concurreren met de geavanceerde apparaten. Waar stuwmotoren 30 tot 40 μN / W aan stuwkracht produceerden, wist de Neumann-aandrijving pas in de jaren 20 te slagen. Toch, in termen van specifieke impuls. de Neumann-drive beweert dat hij op zichzelf staat.

Er zijn vele manieren om specifieke impulsen te beschrijven, maar het is in feite een maatstaf voor de efficiëntie van een motor in termen van stuwkracht in de loop van de tijd. Misschien is de beste manier om het te definiëren, het is hoe lang het duurt voordat een motor het gewicht van het drijfgas gelijk aan de stuwkracht verbruikt. In het geval van een HiPEP-systeem, komt dit uit op 9.600 (+/- 200) seconden aan specifieke impulsen. Aan de andere kant doet de Neumann-drive 14.690 (+/- 2000) seconden, afhankelijk van welk materiaal als drijfgas wordt gebruikt.

Neumann zegt dat met de juiste ontwikkeling een praktische versie van deze schijf de sleutel zou kunnen zijn om het binnenste zonnestelsel te exploiteren vanuit een lage baan om de aarde. Voordat dat kan gebeuren, moet de nieuwe motor echter nog een aantal hindernissen overwinnen, zoals het vinden van een eenvoudige manier om de plug in de boog te steken als deze is opgebrand, waardoor de prestaties verbeteren en de stuwkracht wordt versterkt door middel van magnetische veldfocus en het introduceren van kathodespotbesturing voor een gelijkmatiger verbruik van de brandstofplug.

Dr. Neumann zal zijn bevindingen presenteren op de 15e Australische Space Research Conference op 30 september aan de Australian Defence Force Academy. In de tussentijd, nadat de universiteit van Sydney afstand had gedaan van intellectuele eigendomsrechten, heeft Neumann een voorlopig patent aangevraagd voor de technologie onder een nieuw bedrijf, Neumann Space.


Bron:

Neumann Space

De Neumann-aandrijving gebruikt een vaste plug van drijfgas van magnesium, titanium, vanadium, molybdeen of - hier afgebeeld - koolstof

Experimentele opstelling met de kathode, anode en spoel

Slinger voor het meten van stuwkracht

Molybdeen kathode

Dr. Patrick Neumann van de Universiteit van Sydney werkt aan de experimentele rit

Plasma gezien door een inspectiepoort