Az űrhajó meghajtórendszere egy űrhajó rendszere , amely biztosítja a gyorsulását . Különféle energiákat alakít át mechanikai energiává, miközben az energiaforrások és maguk az átalakítási módszerek is eltérőek lehetnek; mindegyik módszernek megvannak a maga előnyei és hátrányai, kutatásuk és új lehetőségek keresése a mai napig tart.
Az űrhajó meghajtórendszerének leggyakoribb típusa a vegyi rakétamotor , amelyben a gáz nagy sebességgel áramlik a Laval fúvókából . Ezenkívül az üzemanyag elégetése nélküli rakétaberendezések, beleértve az elektromos rakétahajtóműveket és másokat is, széles körben elterjedtek. Ígéretes motorok a napvitorlán alapuló berendezések .
Az űrhajó világűrbe indítása után korrigálni kell az űrben elfoglalt helyzetét. A kezdeti szakaszban ennek oka lehet, hogy a berendezést egy adott pályára vagy pályára kell vinni, valamint biztosítani kell a napelemek maximális megvilágítását , az antennák és megfigyelőrendszerek irányíthatóságát. A jövőben keringési manővereket [1] lehet végrehajtani , amelyek mind a készülék rendeltetésszerű használatához kapcsolódnak, mind pedig műszaki szükségszerűségből, például más objektumok elől való kijátszás esetén [2] . A LEO rendszerek ráadásul ki vannak téve a légkör általi fékezésnek, ezért a pályájuk hosszú távú fenntartása megköveteli, hogy a berendezés rendelkezzen meghajtórendszerrel [3] . A manőverezési lehetőségek kimerülése után az eszköz aktív élettartama befejezettnek tekintendő.
A bolygóközi járművek meghajtórendszerének feladata a második űrsebességre való gyorsítás lehet (néha a hordozórakéta utolsó fokozatát használják erre ). A pálya korrekciója általában a motor rövid indításainak sorozatával történik, amelyek között az eszköz szabad repülésben van. Az űrjárművek egyik körpályáról a másikra történő mozgatásának leghatékonyabb módja egy elliptikus transzferpálya, amely mindkét körpályát érinti. Ennek kialakításához a kezdeti szakaszban gyorsulások sorozatát, az utolsó szakaszban pedig lassítások sorozatát alkalmazzák, a fennmaradó időben az eszköz tehetetlenségi nyomatékkal mozog [4] . Néha speciális módszereket alkalmaznak a fékezésre - például a bolygó légkörének aerodinamikai ellenállása miatt [5] .
A meghajtórendszerek bizonyos típusai, mint például az elektromos rakétahajtóművek vagy a napvitorlák [6] , kismértékű sebességnövekedést biztosítanak hosszú távú működés során. Ebben az esetben a bolygóközi jármű pályája eltérő lesz: az út első szakaszában állandó gyorsulás, a másodikban pedig állandó lassulás. A napvitorlát, mint légcsavart sikeresen tesztelték a japán IKAROS készüléken [7 ] .
A csillagközi utazáshoz saját meghajtórendszerek is szükségesek. Jelenleg ilyen eszközök nem léteznek, de a lehetséges opcióikról tárgyalnak. A Naphoz legközelebbi csillagok távolsága rendkívül nagy, és a cél ésszerű időn belüli elérése nagy repülési sebességet igényel. Egy csillagközi űrhajó gyorsítása és lassítása nem könnyű feladat a tervezők számára. [nyolc]
A propulziós rendszer fő feladata az űrhajó sebességének megváltoztatása. Mivel az ehhez szükséges energia a berendezés tömegétől függ, a tervezők az impulzus fogalmát használják , amely egyenlő a tömeg és a sebesség szorzatával [9] . Így a propulziós rendszer megváltoztatja az űrhajó lendületét.
Azoknál a járműveknél, amelyek meghajtási rendszere az indítóhelyen működik (mint például az Space Shuttle szállítórendszerében ), a választott gyorsítási módszernek biztosítania kell a Föld gravitációjának leküzdését - meg kell adnia a járműnek az első menekülési sebességet [10] , amely a A Föld körülbelül 7,9 km/s. A bolygó körüli mozgás során a propulziós rendszer hatása az eszköz pályájának megváltozásához vezet.
A beállított fordulatszám elérése a hajtásrendszer rövid kapcsolási periódusaival nagy gyorsulásoknál, vagy kis gyorsulásoknál hosszú kapcsolási periódusokkal biztosítható. Ugyanakkor a második módszer kevéssé használható a készülék űrbe történő kilövésénél, mivel a bolygó gravitációjának leküzdéséhez rendkívül nagy energiaköltségek szükségesek. A pálya kezdeti szakaszában az űrbe bocsátott test azonban a repülőgéphez hasonlóan használhatja a szárny emelő erejét , amíg el nem éri a légkör kevésbé sűrű rétegeit.
Az ember hozzászokott a gravitáció hatásához, amelyet a szabadesés körülbelül 9,8 m / s² vagy 1 g gyorsulása jellemez. Az ember által vezetett jármű esetében ideális meghajtási rendszer lenne az ezzel az értékkel megegyező állandó gyorsulást biztosító rendszer, amely kiküszöbölné a személyzet számára kellemetlen jelenségeket: hányingert, izomgyengeséget, kalcium kimosódást a csontszövetből, ízérzés elvesztését. Ilyen gyorsulást azonban nehéz biztosítani: az indítás során ez nem hatékony üzemanyag-fogyasztáshoz vezetne, az űrben pedig nem felelne meg a készülék fő feladatainak, vagy túl hosszú repülési időt eredményezne.
A Lendület megmaradásának törvénye kimondja, hogy amikor egy űrhajó lendülete megváltozik, akkor valami más lendületének is meg kell változnia ahhoz, hogy a rendszer teljes lendülete állandó legyen. Mágneses mezők energiáját vagy fénynyomást használó meghajtórendszereknél ez a probléma nem áll fenn, de a legtöbb űrhajó kénytelen a fedélzetén munkafolyadék -készletet tartani, amelynek kilökődése miatt magának a berendezésnek a lendülete megváltozhat. Az ezen az elven működő meghajtórendszereket reaktívnak nevezzük .
A munkafolyadék felgyorsításához energiára van szükség, amely különféle forrásokból nyerhető. A szilárd hajtóanyagú , folyékony és hibrid rakétahajtóművekben az alkatrészek kémiai reakciója során energia szabadul fel, a munkaközeg pedig a keletkező gáz, amely nagy nyomással áramlik ki a fúvókán. Az ionmotorokban az elektromos energiát a napelemekből , atomerőműből vagy más forrásokból nyert munkafolyadék részecskéinek felgyorsítására használják . [tíz]
A sugárhajtású rendszerek hatékonyságának értékelésekor a fajlagos impulzus fogalmát használják , amely megegyezik a generált impulzus és a munkaközeg áramlási sebességének arányával. Az SI-rendszerben a fajlagos impulzus mérete "méter per másodperc", de a gyakorlatban az MKGSS rendszer - "másodperc" dimenzióját gyakrabban használják.
A nagyobb fajlagos impulzus a munkaközeg nagyobb kilégzési sebességének felel meg, azonban a munkaközeg gyorsításához szükséges energia arányos a sebesség négyzetével, aminek következtében a fajlagos impulzus növekedésével az energia a meghajtórendszer hatékonysága csökken. Ez a nagy teljesítményű hajtóművek hátránya, aminek következtében a legtöbb nagy fajlagos impulzusú hajtómű alacsony tolóerővel rendelkezik, mint például az elektromos rakétahajtóművek.
A meghajtórendszereket az alapul szolgáló fizikai elvek függvényében több típusra osztják.
A sugárhajtású rendszer a munkafolyadék kidobásával változtatja az űrhajó sebességét. Ebben az esetben a készülék mozgása betartja a lendület megmaradásának törvényét és annak következményeit.
Példák a sugárhajtóművekre a rakétahajtóművek, beleértve az elektromosakat, a sűrített gázt használó hajtóművek és az elektromágneses erősítőn alapuló egzotikus változatok . Az indítóhelyen az űrhajók légköri oxigénnel hajtott sugárhajtóműveket használhatnak.
Vegyi rakétamotorA legtöbb rakétamotor belső égésű motor . A bennük lévő munkaközeg forró gáz, amely a tüzelőanyagnak az égéstérben oxidálószerrel való reakciójával jön létre.l. Egyes esetekben egy vagy kettőnél több komponenst használnak üzemanyagként. A kémiai reakció termékei az égéstérből a Laval fúvókába jutnak, amely biztosítja a hőenergia maximális átalakulását mozgási energiává . A gáz kilépési sebessége jellemzően tízszerese a tengerszinti hangsebességnek .
A vegyi rakétamotorok a legerősebbek az űrhajómotorok összes típusa között. Többek között járművek űrbe való kilövésénél használják őket.
Az ionrakéta-motor projekt egy plazma vagy ionizált gáz felmelegítését foglalja magában egy " mágneses palackban ", és egy " mágneses fúvókán " keresztül engedik ki. Ebben az esetben a plazma nem érintkezik a készülék részeivel. Egy ilyen motor létrehozása rendkívül nehéz feladat, de az elveit már alkalmazzák a magfizikában , vagy tesztelik a laboratóriumban.
Elektromos rakétamotorAmellett, hogy a munkafolyadékot gázdinamikus erők hatására felgyorsítjuk, lehetőség van a részecskéire közvetlen hatást is alkalmazni. Ehhez elektromágneses erőket használnak, és munkaközegként általában gázt választanak. Az elektromos energia hatására a gáz először ionizálódik, majd elektromos tér hatására felgyorsul, és nagy sebességgel kilökődik a motorból.
Egy ilyen motor létrehozásának lehetőségét 1906-ban Robert Goddard említette először jegyzetfüzetében [11] . 1911-ben Konsztantyin Ciolkovszkij is publikált egy hasonló ötletet .
Elektromos rakétahajtóműveknél az energiahatékonyság fordítottan arányos a munkafolyadék kiáramlási sebességével és a generált tolóerővel. Emiatt az energia korszerű fejlődésével az ilyen típusú meghajtórendszerek kis teljesítményűek, ugyanakkor a munkafolyadékból nagyon kis mennyiséget fogyasztanak.
Ha a Naptól viszonylag közeli távolságra repül, az elektromos rakétahajtóművekhez napelemekkel lehet energiát nyerni. Ha a mélyűrbe repül, más energiaforrást kell használni - például atomreaktort .
Az erőmű képességei jelentik a fő korlátozó tényezőt az elektromos rakétahajtóművek használatában, hiszen a megtermelt energia mennyiségével együtt nő magának a berendezésnek a tömege is, ami növeli az űrhajó tömegét és a szükséges tolóerőt. gyorsulás.
A meglévő atomerőművek körülbelül feleakkora tömegűek, mint az azonos teljesítményű napelemek , ha a földpálya közelében működnek. Vegyi generátorokat nem használnak a rövidebb futási idők miatt. Az űrhajók áramellátásának egyik ígéretes lehetősége az energia nyaláb formájában történő átvitele, de a szóródási veszteségek miatt ez a módszer alkalmatlan a hosszú távú repülésekre.
Az elektromos rakétamotorok a következők:
Az elektrotermikus és elektromágneses tolóhajtóművekben az ionok és az elektronok egyidejűleg gyorsulnak, így nincs szükség fluxussemlegesítésre.
Az impulzusmegmaradás törvénye megállapítja, hogy lehetetlen megváltoztatni az űrhajó tömegközéppontjának helyzetét a munkatest eldobása nélkül. A térben azonban gravitációs erők, mágneses mezők és napsugárzás hatnak. Több meghajtási rendszer a felhasználásukra épül, de ezen erők térbeli eloszlása miatt a létesítmények nagyok.
Számos olyan motor létezik, amelyhez nincs szükség munkafolyadékra, vagy rendkívül kis mennyiségben. Ide tartoznak a tether rendszerek [12] , a könnyű nyomást használó napvitorlák és a mágneses vitorlák , amelyek mágneses mező segítségével tükrözik a napszelet .
Az űrszonda betartja a szögimpulzus megmaradásának törvényét , ezért a tömegközéppont körüli forgás helyett ennek a berendezésnek az ellenkező irányba forgó része hajtórendszerként használható. Ez nem igényli a munkaközeg fogyasztását, azonban a berendezésre külső erők hatnak, például gravitációs vagy aerodinamikai erők [13] , ami időszakonként megköveteli a fő hajtásrendszer más módon történő „kirakását”, pl. , a sugárhajtóművek miatt. Ennek az elvnek a megvalósítása a nagy teljesítményű giroszkópok (girodynes). [tizennégy]
A bolygó gravitációs mezőjének egy másik módja az inerciális motor. Ez a berendezés tehetetlenségi nyomatékának változásán alapul a pálya különböző részein, azonban a kézzelfogható hatás eléréséhez a rendszer méretei kellően nagyok legyenek.
Az űrhajó röppályájának megváltoztatásához gravitációs manővert is alkalmaznak . Ebben az esetben az égitestek gravitációját használják gyorsításra vagy lassításra. [15] Rakétahajtómű használata esetén a gravitációs manőver hatékonysága növelhető.
Az űrrepülőgép-meghajtó rendszereknek számos hipotetikus változata létezik, amelyek új fizikai elveken alapulnak, és valószínűleg a gyakorlatban nem valósulnak meg. Eddig különösen érdekesek a következők:
Az alábbiakban a különböző típusú meghajtórendszerek összehasonlító táblázata látható, beleértve a bizonyított és hipotetikus lehetőségeket is.
Az első oszlop a fajlagos impulzust (amely megegyezik a munkafolyadék kiáramlási sebességével), vagy ennek megfelelő értékét nem reaktív motorok esetén tartalmazza, a második oszlop a motor tolóerejét, a harmadik a motor működési idejét, a negyedik a maximális értéket. sebességnövekedés (egyfokozatú rendszer esetén), miközben:
Az ötödik oszlop a technológiai felkészültségi szintet jelzi:
| Típusú | Egyenértékű fajlagos impulzus (km/s) |
tolóerő ( N ) |
Munkaidő _ |
Max. sebességnövekedés (km/s ) |
Készenléti szint |
|---|---|---|---|---|---|
| Szilárd hajtóanyagú rakétamotor | 1-4 | 10 3 — 10 7 | percek | ~ 7 | 9 |
| Hibrid rakétamotor | 1,5—4,2 | <0,1 – 10 7 | percek | > 3 | 9 |
| Egykomponensű rakétamotor | 1-3 | 0,1-100 | ezredmásodperc/perc | ~ 3 | 9 |
| Folyékony hajtóanyagú rakétamotor | 1,0-4,7 | 0,1 - 10 7 | percek | ~9 | 9 |
| ionos motor | 15-210 [17] | 10-3-10 _ _ | hónapok/évek | > 100 | 9 |
| Hall hatású motor | 8-50 | 10-3-10 _ _ | hónapok/évek | > 100 | 9 [18] |
| Ellenállásos rakétamotor | 2-6 | 10-2-10 _ _ | percek | ? | 8 [19] |
| Termikus elektromos rakétamotor | 4-16 | 10-2-10 _ _ | percek | ? | nyolc |
| Elektrosztatikus rakétamotor | 100 [20] - 130 | 10–6 [20] – 10–3 [ 20] | hónapok/évek | ? | 8 [20] |
| Pulzáló plazma meghajtó | ~ 20 | ~0,1 | ~2000-10000 óra | ? | 7 |
| kettős üzemmódú rakétamotor | 1—4.7 | 0,1 - 10 7 | ezredmásodperc/perc | ~ 3-9 | 7 |
| napvitorla | 300 000 (enyhe nyomás) 145-750 ( napszél ) |
9-től 1 -ig a. e. 230 per 0,2 a. e. 10–10 per 4 St. év (1 km²-es vitorlához) |
korlátlan | > 40 | 9, 6, 5 |
| Háromutas rakétamotor | 2,5-5,3 | 0,1 - 10 7 | percek | ~9 | 6 [21] |
| Magnetoplazmodinamikus motor | 20-100 | 100 | hétig | ? | 6 [22] |
| nukleáris rakétamotor | 9 [23] | 10 7 [23] | perc [23] | > ~ 20 | 6 |
| Elektromágneses gyorsító | 0 - ~30 | 10 4 — 10 8 | hónapok | ? | 6 |
| Kötélrendszer | — | 1—10 12 | percek | ~ 7 | 7 [24] |
| ramjet motor | 5-6 | 0,1 - 10 7 | másodperc/perc | > 7? | 6 [25] [26] |
| Atmoszférikus levegő cseppfolyósító motor | 4.5 | 10 3 — 10 7 | másodperc/perc | ? | 6 |
| Pulzáló induktív motor | 10–80 [27] | húsz | hónapok | ? | 5 [27] |
| Elektromágneses rakétaerősítő | 10-300 | 40 - 1200 | napok/hónapok | > 100 | 5 |
| Plazma motor | 10-130 | 0,1-1 | napok/hónapok | > 100 | 5 |
| napelemes rakétamotor | 7-12 | 1-100 | hétig | > ~ 20 | 4 [28] |
| radioizotópos rakétamotor | 7-8 | 1,3 - 1,5 | hónapok | ? | négy |
| Nukleáris elektromos rakétamotor | változó | változó | változó | ? | négy |
| "Orion" projekt (nukleáris "robbanóanyag") | 20-100 | 10 9 — 10 12 | több nap | ~ 30-60 | 3 [29] [30] |
| űrlift | — | — | korlátlan | > 12 | 3 |
| SABRE rakétamotor | 30/4,5 | 0,1 - 10 7 | percek | 9.4 | 3 |
| Mágneses vitorla | 145-750 | 70/40 tonna [31] | korlátlan | ? | 3 |
| Mini magnetoszférikus plazmatoló | 200 | ~1 N/kW | hónapok | ? | 3 [32] |
| Sugár (lézer) motor | változó | változó | változó | ? | 3 |
| Indítsa el a hurok / űrhíd | — | ~10 4 | percek | ≫ 11-30 | 2 |
| Daedalus projekt | 20-1000 | 10 9 — 10 12 | évek | ~ 15.000 | 2 |
| Gázfázisú nukleáris sugárhajtómű | 10-20 | 10 3 — 10 6 | ? | ? | 2 |
| Nukleáris rakétamotor nukleáris üzemanyag sóinak homogén oldatán | 100 | 10 3 — 10 7 | fél óra | ? | 2 |
| Vitorla a nukleáris bomlás részecskéin | ? | ? | ? | ? | 2 |
| Maghasadási részecskékkel hajtott rakétamotor | 15 000 | ? | ? | ? | 2 |
| Foton motor | 300 000 | 10-5-1 _ _ | évek/évtizedek | ? | 2 |
| Fúziós rakétamotor | 100-1000 | ? | ? | ? | 2 |
| Antianyag katalitikus nukleáris impulzus rakétamotor | 200-4000 | ? | a hét napjai | ? | 2 |
| Bassard csillagközi ramjet | 2,2–20 000 | ? | korlátlan | ~30 000 | 2 |
| Alcubierre motor | > 300 000 | ? | ? | korlátlan | 2 |
| térhajtómű | > 300 000 | ? | ? | korlátlan | egy |
| Típusú | Egyenértékű fajlagos impulzus (km/s) |
tolóerő (N) |
Munkaidő _ |
Maximális sebességnövekedés (km/s ) |
Készenléti szint |