Bagaimana cara Electric Thrusters di the Psyche Spacecraft Bekerja?

Dan Goebel di sini lagi. Saya Insinyur Kepala Pesawat Ruang Angkasa di Psyche dan saat ini saya sedang mengerjakan beberapa aspek Sistem Propulsi Listriknya. Berikut ini deskripsi singkat tentang cara kerja pendorong listrik.

Kita semua telah melihat gambar dan video yang mengesankan dari peluncuran pesawat ulang-alik dan pesawat ruang angkasa, di mana roket besar menggunakan pembakaran cairan dan propelan padat untuk menghasilkan jumlah dorongan yang luar biasa yang diperlukan untuk melepaskan diri dari gravitasi Bumi. Jumlah propelan kimia yang dibutuhkan sangat besar; hampir satu juta pound untuk misi seperti Psyche. Demikian juga, kita perlu membawa ribuan pon bahan bakar kimia ke ruang angkasa untuk dorongan tambahan agar kita sampai ke Psyche, ditangkap ke orbit di sekitar asteroid, dan kemudian melakukan operasi sains, yang mendorong kita untuk meluncurkan lebih besar lagi kendaraan dan harganya jutaan dolar lebih banyak.

Antar-jemput lepas landas menggunakan roket kimia besar.

Seperti yang saya jelaskan di blog saya sebelumnya Psyche adalah Misi SEP .... Apa artinya itu ?, kita mengurangi jumlah propelan yang perlu kita bawa ke ruang angkasa pada misi Psyche dengan menggunakan Solar Electric Propulsion. Penggerak listrik tidak membakar propelan, tetapi menambah energi ke berbagai jenis propelan secara elektrik, yang meningkatkan Impuls Khusus (daya dorong per massa yang digunakan, setara dengan mil per galon di mobil Anda) untuk mengurangi massa propelan yang diperlukan dan meluncurkan ukuran kendaraan. (dan biaya!). Kami mendapatkan listrik dari array surya. Tapi bagaimana pendorong mengubahnya menjadi dorong?

Pendorong listrik bekerja dengan mempercepat atom-atom propelan ke kecepatan yang lebih tinggi daripada yang dapat diperoleh oleh tenaga penggerak kimia. Dalam propulsi kimia, energi yang dihasilkan dibatasi oleh seberapa banyak energi yang ada dalam ikatan kimia propelan. Produk pembakaran dipanaskan oleh energi yang dilepaskan dalam pemecahan setiap ikatan kimia saat terbakar, dan nosel roket mengubah banyak energi termal menjadi kecepatan partikel diarahkan untuk menghasilkan daya dorong. Semakin tinggi kecepatan, semakin tinggi impuls spesifik dan dorongan dari sejumlah propelan. Sudah bosan? Ya, saya juga tidak suka kimia.

Kami meningkatkan kecepatan propelan lebih dalam pendorong listrik dengan mengisi partikel propelan dan mempercepat partikel bermuatan dengan tegangan tinggi. Di sinilah semua kesenangan dalam propulsi berasal. Ada banyak jenis pendorong listrik [i], hampir sama banyaknya dengan pembuat mobil yang berbeda, dan masing-masing memiliki kemampuan kinerja yang berbeda. Pendorong listrik paling efisien yang digunakan saat ini disebut pendorong ion dan pendorong Hall. Mereka mungkin dapat dianggap sebagai versi propulsi ruang Tesla.

Thruster ion NASA NSTAR dan plasma xenon internalnya. Kredit: JPL.

Saya akan mulai dengan pendorong ion. Kami mengionisasi propelan dengan menyuntikkan elektron energetik dari emitor elektron (disebut katoda berongga) di dalam ruang yang diisi dengan gas propelan dan mengumpulkan elektron (disebut anoda). Ini disebut pelepasan elektron, dan elektron-elektron panas ini mengenai atom-atom gas netral dan menjatuhkan satu elektron dari setiap atom untuk menghasilkan ion dan elektron bebas. Ion dan elektron memperoleh terlalu banyak energi dari proses ini untuk dengan mudah bergabung kembali, dan dengan demikian masuk di dalam thruster bersama-sama dalam jumlah yang hampir sama sampai mereka mencapai daerah akselerator atau hilang ke dinding ruang pembuangan. Kombinasi ion dan elektron ini disebut plasma, dinamai oleh bapak bidang ini, Irving Langmuir, pada tahun 1920-an di General Electric ketika dia melihat cahaya biru kadang-kadang muncul di bola lampu.

Empat puluh tahun yang lalu (terasa seperti 100!) Saya mendapat magang sebagai sarjana di lab UCLA yang sedang bekerja untuk meningkatkan pendorong ion. Kami berusaha lebih baik mengandung plasma ini menggunakan medan magnet. Suatu minggu saya membawa salah satu dari ruang penahanan plasma ion thruster ini ke sebuah pertemuan dengan semua pekerja magang lainnya dalam program ini dan dengan bangga menggambarkan peningkatan pengurungan plasma yang telah kami raih di dalam ruangan, ketika salah satu siswa lain yang bekerja di gedung biologi bertanya : "Mengapa darah tidak mengalir keluar melalui semua lubang di dinding?" Saya harus menjelaskan dengan baik bahwa plasma kita, yang merupakan materi keempat dan dianggap sebagai materi paling berlimpah di alam semesta, bukan komponen darah yang diketahui semua orang di Bumi.

Kembali ke pendorong ion. Satu dinding ion thruster terdiri dari dua atau tiga kisi yang bias terhadap tegangan sangat tinggi, biasanya 1000-2000 V. Ion yang mencapai kisi-kisi dipercepat hingga kecepatan lebih dari 80.000 mph oleh tegangan ini pada pendorong ion xenon kontemporer. Xenon adalah propelan pilihan karena lembam (tidak bereaksi dengan sisa pesawat ruang angkasa) dan mudah terionisasi. Beberapa atom gas netral juga senang dengan pelepasan dan mengeluarkan cahaya biru yang indah yang kita lihat dalam gas xenon yang biasa digunakan dalam pendorong listrik, dan pada lampu depan otomotif.

Elektron tertinggal ketika kita mempercepat ion, dan thruster (dan pesawat ruang angkasa melesat ke sana) akan mengisi sangat negatif dan melengkung ke plasma lokal di luar angkasa jika ini dibiarkan berlanjut. Kami memperbaiki masalah ini dengan meletakkan pemancar elektron lain di luar thruster (terlihat di atas di foto thruster ion NSTAR) yang menembakkan cukup banyak elektron untuk menetralisir ketidakseimbangan muatan dari menghasilkan berkas ion kami. Ini adalah pertama kalinya dalam pengalaman saya bahwa Ibu Alam pernah memberi kita sesuatu secara gratis karena tidak sulit untuk melakukan ini. Jika Anda hanya menyediakan beberapa elektron, berkas itu mengambil apa pun yang diperlukan untuk menetralkan penumpukan muatan. Dibutuhkan daya untuk membuat plasma dan mempercepat sinar, dan pendorong NSTAR menggunakan beberapa kilowatt daya untuk menghasilkan sekitar 0,02 pon dorong. Itu adalah dorongan yang cukup untuk membawa pesawat ruang angkasa Dawn ke sabuk asteroid karena gaya gravitasi sangat rendah di ruang angkasa dan tidak ada hambatan. Misi propulsi listrik sering disebut misi "bertolak rendah".

Psyche sebenarnya akan menggunakan pendorong Hall, bukan pendorong ion, tapi saya mulai dengan pendorong ion karena pendorong Hall jauh lebih sulit untuk dijelaskan. Pendorong ruang tidak menggunakan jaringan tegangan tinggi, tetapi menggunakan pelepasan elektron untuk menghasilkan plasma. Dalam hal ini, katoda berongga berada di luar pendorong dan pengumpul elektron (ingat itu disebut anoda?) Ada di dalam. Elektron sangat ringan dan cepat, dan semua daya yang kita terapkan hanya akan mengalir ke arus elektron yang mengalir ke anoda dan cahaya biru jika hanya itu yang kita lakukan. Sebagai gantinya, kami menerapkan medan magnet untuk memaksa elektron masuk dalam orbit melingkar di sekitar pusat pendorong. Medan magnet menghambat gerak elektron ke anoda, yang memungkinkan ion yang dihasilkan dalam pelepasan ini dipercepat oleh medan antara anoda dan katoda. Ion-ion terlalu besar untuk dipengaruhi oleh medan magnet yang lemah, dan ditembak keluar dari saluran untuk membentuk balok dan membuat daya dorong. Gerakan elektron melingkar inilah yang menyebabkan Hall pendorong memiliki saluran annular yang penuh dengan plasma berpendar yang Anda lihat di semua foto pendorong ini. Karena akselerasi terjadi di dalam plasma, ion-ion dapat menyeret cukup elektron dari pelepasan dengan mereka untuk secara otomatis menetralkan penumpukan muatan yang saya jelaskan di atas untuk pendorong ion.

Pendorong balai tempat dipelopori oleh Rusia dan pertama kali diterbangkan oleh mereka pada tahun 1970-an. Kami menggunakan pendorong Hall buatan Rusia di Psyche karena SSL, yang membangun pesawat ruang angkasa, menggunakannya pada satelit komunikasi komersial mereka. Pendorong Aula “SPT-140” di Psyche menggunakan tenaga hingga 5 kW untuk menghasilkan sekitar 0,06 pon dorong. Pendorong aula menghasilkan dorong lebih dari pendorong ion untuk jumlah tertentu daya input, tetapi pada dorongan spesifik yang lebih rendah.

SPT-140 Hall thruster. Dua katoda pemancar elektron (satu redundan) yang menghasilkan pelepasan elektron terlihat di bagian atas di atas saluran pelepasan plasma annular. Kredit: JPL (kiri), SSL (kanan).

Saya harus menyebutkan ada beberapa perawatan dan pemberian makan yang diperlukan untuk menggunakan pendorong listrik. Mereka membutuhkan catu daya yang mengubah listrik dari array surya menjadi tegangan tinggi dan arus yang dibutuhkan oleh thruster. Mereka membutuhkan sistem umpan gas untuk mengirimkan propelan xenon pada tingkat yang tepat selama usia pendorong. Mereka juga membutuhkan mekanisme penunjuk presisi yang disebut gimbal untuk mengarahkan pendorong ke arah yang benar untuk lintasan yang diinginkan. Memberikan semua ini membutuhkan banyak rekayasa untuk memastikan bahwa pendorong melakukan dengan andal selama durasi 6 tahun misi Psyche.

Dalam blog saya berikutnya saya akan menjelaskan apa yang harus kita lakukan untuk membuat sistem pendorong SPT-140 Hall yang biasanya digunakan oleh SSL di orbit Bumi bekerja dalam misi luar angkasa. Ada tantangan besar untuk membuat pendorong cukup lama untuk sampai ke Psyche (3,5 tahun), beroperasi dengan andal dalam suhu dingin ekstrem ruang dalam, dan melambat ke daya rendah karena daya susunan surya yang tersedia berkurang ketika kita menjauh dari matahari.

[i] Daftar sebagian dari beberapa jenis pendorong listrik yang berbeda

Electrothermal

Resistojets pemanas DC

Microwave plasma Resistojets

Arc jet

Pendorong ultrasonik (partikulat)

Elektrostatik

Pendorong ion

DC pendorong pelepasan

Pendorong pengeluaran cairan

Pendorong ion annular

Pendorong ion Kaufman

Pendorong gelombang mikro

Pendorong Helicon

Pendorong percepatan gelombang

Pendorong electrospray

Propulsi Listrik Emisi Lapangan (FEEP)

Pendorong koloid

Pendorong Arc vakum

Bias jaringan RF (Pegasus thruster)

Pendorong balai

SPT (Dinding isolasi)

TAL (dinding logam)

Pendorong Hall dua tahap

Pendorong Hall yang terlindung secara magnetis

Dinding isolasi

Melakukan dinding

Pendorong Cylindrical Hall

Pendorong Hall Hall Akhir

Pendorong elektromagnetik

Pulsed Plasma Thrusters (PPTs)

Magnetoplasmadynamic Thrusters (MPDs)

Akselerator Plasma Induktif Tanpa Listrik

Reverse Field Pinch (RFP)

Konsep Lanjutan

Vasimr

Propelan-kurang (melanggar hukum fisika!)

EM thruster

Q thruster

Fusi

Antimateri