A câmera remota captura uma vista Close-up de um Space Shuttle Motor principal durante um disparo de teste no Centro Espacial John C. Stennis em Hancock County, Mississippi
Nave espacial de propulsão é usado para alterar a velocidade da nave espacial e artificiais satélites, ou em suma, para fornecer delta-v. Existem muitos métodos diferentes. Cada método tem vantagens e desvantagens, e naves espaciais de propulsão é uma área ativa de pesquisa. Mais sonda hoje são propulsionadas por aquecimento da massa de reacção e permitindo que ele flua para fora da parte de trás do veículo. Este tipo de motor é chamado de motor de foguete.
Todas as naves espaciais usam motores atuais foguetes químicos (bipropelente ou de combustível sólido) para o lançamento, embora alguns (como o foguete Pegasus e SpaceShipOne) usaram motores de ar de respiração em sua primeira fase. A maioria dos satélites têm simples foguetes confiáveis ??químicos (muitas vezes foguetes monopropelentes) ou foguetes resistojato para manter seu posto, embora alguns utilização volantes de inércia para controle de atitude. Mais recente espaçonave em órbita geo estão começando a usar propulsão elétrica para stationkeeping norte-sul. Veículos interplanetários usam principalmente foguetes químicos, bem como, embora alguns tenham utilizado experimentalmente propulsores iônicos com algum sucesso (uma forma de propulsão elétrica).
Os satélites artificiais deve ser lançado em órbita, e uma vez lá, eles têm de acelerar a enviar circulares a sua órbita. Uma vez na órbita desejada, muitas vezes eles precisam de alguma forma de controle de atitude para que eles sejam corretamente apontaram para a Terra, o Sol, e possivelmente algum astronômico objeto de interesse. Eles também estão sujeitos a arrastar a partir da fina atmosfera, de modo que para ficar em órbita por um longo período de tempo algum tipo de propulsão é ocasionalmente necessária para fazer pequenas correções (stationkeeping orbital). Muitos satélites têm de ser movidos de uma órbita para outro ao longo do tempo, e isto também requer a propulsão. Quando um satélite tenha esgotado a sua capacidade de ajustar sua órbita, sua vida útil é longo.
Nave espacial projetada para viajar mais também precisam de métodos de propulsão. Eles precisam de ser lançado para fora da atmosfera da Terra, assim como os satélites. Uma vez lá, eles precisam deixar a órbita e se movimentar.
Para viagens interplanetárias, uma espaçonave deve usar seus motores para deixar a órbita da Terra. Uma vez que tenha feito isso, ele deve de alguma forma fazer o seu caminho para o seu destino. Naves interplanetárias Atual fazer isso com uma série de ajustes orbitais de curto prazo. Entre esses ajustes, a nave espacial simplesmente cai livremente ao longo de sua órbita. Os meios mais simples económicos em combustível para mover de uma órbita circular para outro é com uma órbita de transferência de Hohmann: a nave espacial começa em uma órbita quase circular em torno do Sol Um curto período de impulso na direção do movimento acelera ou desacelera a nave espacial em uma órbita elíptica em torno do Sol, que é tangente à sua órbita anterior e também para a órbita de seu destino. A nave espacial cai livremente ao longo desta órbita elíptica até que ele chegue ao seu destino, onde outro curto período de impulso acelerar ou desacelerar-lo para coincidir com a órbita de seu destino. Os métodos especiais tais como aerobraking são por vezes utilizados para este ajuste orbital final.
Concepção artística de uma vela solar
Alguns métodos de naves espaciais de propulsão tais como velas solares fornecem muito baixo, mas inesgotável impulso; um veículo interplanetário usando um desses métodos seguiria uma trajectória um tanto diferente, seja constantemente empurrar contra a sua direcção de movimento, a fim de diminuir a sua distância a partir do Sol ou empurrar constantemente ao longo do seu sentido de movimento para aumentar a sua distância a partir do Sol
Nave espacial para viagens interestelares também precisam de métodos de propulsão. Nenhum tal nave espacial ainda não foi construído, mas muitos projetos foram discutidos. Desde distâncias interestelares são muito grande, uma tremenda velocidade é necessário para obter uma nave espacial para o seu destino em uma quantidade razoável de tempo. Adquirir uma tal velocidade no lançamento e livrar-se dele na chegada será um desafio formidável para os designers de naves espaciais.
Quando no espaço, a propósito de um sistema de propulsão é a alterar a velocidade v de uma nave espacial. Uma vez que este é mais difícil para naves espaciais mais massiva, os designers geralmente discutir momento, mv. A quantidade de mudança no momento é chamado de impulso. Assim, o objectivo de um modo de propulsão no espaço é o de criar um impulso.
Ao lançar uma espaçonave da Terra, um método de propulsão deve superar o da Terra gravitacional tração, além de fornecer a aceleração.
A taxa de variação de velocidade é chamado de aceleração e a taxa de variação do momento é chamada de força. Para alcançar uma dada velocidade, pode-se aplicar uma pequena aceleração durante um longo período de tempo, ou pode-se aplicar uma grande aceleração durante um curto período de tempo. Da mesma forma, pode-se alcançar um dado impulso com uma grande força ao longo de um curto período de tempo ou uma pequena força ao longo de um longo período de tempo. Isto significa que, para manobrar no espaço, um método de propulsão que produz pequenas acelerações mas é executado por um longo período de tempo pode produzir o mesmo impulso de propulsão como um método que produz grandes acelerações para um curto período de tempo. Ao lançar a partir de um planeta, pequenas acelerações não pode superar a força gravitacional do planeta e por isso não pode ser usado.
A lei da conservação do momento significa que, para que um método de propulsão para alterar a dinâmica de uma nave espacial que tem de alterar a dinâmica de outra coisa também. Alguns projetos tirar proveito de coisas como campos magnéticos ou leve pressão de modo a alterar a dinâmica da nave espacial, mas no espaço livre do foguete deve trazer alguma massa para acelerar longe, a fim de empurrar-se para a frente. Essa massa é chamada massa de reacção.
Um teste de motor iônico
Para que um foguete para o trabalho, ele precisa de duas coisas: massa de reacção e de energia. O impulso fornecido pelo lançamento de uma partícula de massa de reacção que tem massa m com velocidade v é mv. Mas esta partícula tem cinética mv energia 02/02, que deve vir de algum lugar. Num convencional foguete de combustível sólido, o combustível é queimado, o fornecimento de energia, e os produtos da reacção são permitidos para fluir para fora da parte traseira, fornecendo a massa de reacção. Em um propulsor de íons, a eletricidade é usada para acelerar os íons na parte de trás. Aqui alguma outra fonte deve fornecer a energia eléctrica (talvez um painel solar ou um reactor nuclear), enquanto que os iões de fornecer a massa de reacção.
Quando se discute a eficiência de um sistema de propulsão, os designers frequentemente concentrar-se na massa de reacção. Depois de tudo, a energia pode, em princípio, ser produzidas sem grandes dificuldades, mas a massa de reacção deve ser realizada juntamente com o foguete e irreversivelmente consumidos quando utilizado. Uma forma de medir a quantidade de impulso que pode ser obtido a partir de uma quantidade fixa de massa de reacção é o impulso específico. Este é o impulso por unidade de massa em segundos por quilograma Newton (N-s / kg). Isto corresponde a metros por segundo (m / s), e é eficaz a velocidade de escape v e.
Um foguete com uma velocidade de escape de alto pode conseguir o mesmo impulso com menos massa de reação. No entanto, a energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade de escape, de modo que os motores mais eficientes (no sentido de ter um grande impulso específico) exigem mais energia para ser executado.
Um segundo problema é que, se o motor é para fornecer uma grande quantidade de impulso, isto é, uma grande quantidade de impulsos por segundo, deve também fornecer uma grande quantidade de energia por segundo. Então altamente eficientes motores exigem enormes quantidades de energia por segundo para produzir altas pressões. Como resultado, a maioria dos projetos de motores de alta eficiência também fornecem muito baixo empuxo.
Queimando todo o propulsor utilizável de uma nave espacial através dos motores em linha reta iria produzir uma mudança de velocidade líquida para o veículo- este número é chamado de "delta-v '.
O "v total de um veículo pode ser calculada utilizando a equação de foguete, em que M é a massa de combustível, P é a massa da carga (incluindo a estrutura do foguete), e i s p é o impulso específico do foguete. Esta é conhecida como a equação de foguete Tsiolkovsky:
Para uma longa viagem, a maioria da massa da sonda pode ser a massa de reacção. Uma vez que um foguete deve levar toda a sua massa de reacção com ele, a maior parte da primeira massa de reacção vai no sentido de acelerar a reacção de massa, em vez de carga útil. Se temos uma carga de massa P, a espaçonave precisa mudar sua velocidade por "v, e o motor de foguete tem escape velocidade v e, em seguida, a massa M de massa de reação que é necessária pode ser calculada usando a equação do foguete ea fórmula pois eu s p
Por "v muito menor do que v e, esta equação é aproximadamente linear, e não é preciso muito massa de reação. Se "v é comparável a v e, em seguida, é preciso haver muito combustível cerca de duas vezes como carga útil e estrutura combinada (que inclui motores, tanques de combustível, e assim por diante). Além disso, o crescimento é exponencial; velocidades muito mais altas do que a velocidade de escape requerem muito elevados rácios de massa de combustível a carga útil e massa estrutural.
A fim de alcançar este objectivo, uma certa quantidade de energia deve ir para acelerar a massa de reacção. Cada motor vai perder um pouco de energia, mas mesmo assumindo uma eficiência de 100%, o motor vai precisar de energia no montante de
Esta fórmula reflecte o facto de que mesmo com 100% de eficiência do motor, certamente não toda a energia fornecida acaba no veículo - algumas delas, na verdade geralmente que a maior parte, termina-se como energia cinética dos gases de escape.
Para uma missão, por exemplo, quando do lançamento e pouso em um planeta, os efeitos da atração gravitacional e qualquer arrasto atmosférico deve ser superado pelo uso do combustível. É típico de combinar os efeitos destes e de outros efeitos para uma missão eficaz delta-V. Por exemplo, uma missão de lançamento para órbita baixa da Terra requer cerca de 9,3-10 km / s delta-v. Estes missão delta-vs são tipicamente integradas numericamente em um computador.
Suponha que quer enviar uma sonda espacial 10,000 kg a Marte. O "v exigido de LEO é de aproximadamente 3000 m / s, utilizando uma órbita de transferência de Hohmann. (A sonda tripulado teria de tomar uma rota mais rápida e usar mais combustível). Por uma questão de argumento, digamos que os seguintes propulsores podem ser usados:
Observe que os motores mais económicos em combustível pode usar muito menos combustível; a sua massa é quase insignificante (em relação à massa da carga e do próprio motor) para alguns dos motores. No entanto, note também que estes requerem uma grande quantidade total de energia. A certa gravidade, da aceleração total leva cerca de 300 s, ou cerca de cinco minutos. Assim, para que seja possível para um dos motores de alta eficiência para gerar uma gravidade de impulso, eles teriam de ser abastecidos de 2,5 ou 15 GW de energia - o equivalente a uma grande metropolitana estação geradora. Isto teria de ser incluído nos 10.000 kg de carga e peso estrutural, o que é claramente impraticável.
Em vez disso, um gerador muito menor, menos potente pode ser incluído, o que levará muito mais tempo para gerar a energia total necessária. Este poder inferior só é suficiente para acelerar uma pequena quantidade de combustível por segundo, mas durante longos períodos a velocidade será finalmente alcançado. Por exemplo. levou a 1 esperto mais de um ano para alcançar a Lua, enquanto com um foguete químico que leva alguns dias. A órbita não é uma órbita de transferência de Hohmann. A massa lançado é muitas vezes menor, o que pode diminuir o custo.
Curiosamente, para uma missão delta-V, existe um p fixo I S que minimiza a energia global usado pelo foguete. Isto vem a uma velocidade de escape de cerca de 2/3 do delta-v (ver também a energia calculada a partir da equação do foguete). Drives como VASIMR, e, em menor medida outros propulsores iônicos têm velocidades de escape que podem ser enormemente maior do que esse ideal, e, assim, acabam powersource limitado e dão muito baixo empuxo. Se o desempenho do veículo é limitada pela potência disponível, por exemplo, se a energia solar é utilizada, em seguida, no caso de uma grande v e a possível aceleração é inversamente proporcional a ele, por conseguinte, o tempo para atingir uma necessária delta-v é proporcional a v e . Assim, este não deve ser demasiado grande ..
Métodos de propulsão podem ser classificados com base em seus meios de acelerar a massa de reacção. Existem também alguns métodos especiais para lançamentos, chegadas planetários e desembarques.
A "frio" (inflamou-un) teste de motor de foguete da NASA
Um motor de foguete acelera sua massa de reacção por aquecimento, produção de alta pressão quente de gás ou plasma. A massa de reacção é, em seguida, deixou-se escapar da parte traseira do veículo através da passagem através de um bocal, o que acelera dramaticamente a massa de reacção, a conversão de energia térmica em energia cinética. É este bico que dá um motor de foguete sua forma característica.
Fluido quente é necessária porque maximiza a velocidade na garganta do injector. A parte de expansão do bocal de foguete em seguida acelera por um factor adicional, tipicamente entre 1,5 e 4 vezes. A relação da velocidade de um bocal de foguete é determinada, principalmente, pela expansão da área racio- que esta é a razão entre a área da garganta, para a área na saída. Quanto maior for este é, quanto mais energia térmica do bocal é capaz de extrair a partir dos gases de combustão, e o, a pressão mais rápido mais frio e torna-se menor o escape. No entanto, os bicos maiores são mais pesados.
Uma importante complicação surge quando o lançamento de um veículo a partir da superfície da Terra como as ambientais a pressão atmosférica muda com a altitude. Para obter o máximo desempenho verifica-se que a pressão do gás que sai de um bocal de foguete deve ser a mesma que a pressão ambiente; se for inferior, o veículo irá ser retardado pela diferença de pressão entre a parte superior do motor e da saída, se for maior, então este representa a pressão que a campainha ainda não se transformou em impulso. Para atingir este ideal, o diâmetro do injector deveria aumentar com a altitude, o que é difícil de arranjar. Um bocal de compromisso é geralmente usado e alguma redução percentual no desempenho ocorre. Para melhorar esta situação, vários projetos de bicos exóticos, como o bico de bujão, pisou bicos, o bocal de expansão eo aerospike têm sido propostas, cada um com alguma forma de se adaptar às mudanças de pressão do ar ambiente e cada um, permitindo que o gás se expanda ainda mais contra o bocal dando impulso extra em maior altitude.
A temperatura de combustão da massa de reacção é frequentemente muito mais elevada do que o ponto de materiais da câmara de combustão de um bocal e de fusão. No entanto, a tecnologia de materiais em sua maioria não coloca um limite superior para a temperatura de exaustão dos foguetes químicos. Rockets pode usar materiais ablativos que corroem, de forma controlada, ou materiais de alta temperatura, tais como grafite, cerâmica ou certos metais exóticos. Alternativamente, foguetes podem empregar sistemas de arrefecimento para evitar que o material propriamente dito bocal tornar-se demasiado quente. Refrigeração regenerativa, em que o propulsor é passada através de tubos de ao redor da câmara de combustão ou bocal, e outras técnicas, tais como arrefecimento de cortina ou arrefecimento de filme, podem também ser empregues para dar vida bico essencialmente ilimitado.
Foguetes emissores de plasma pode potencialmente levar a cabo reacções dentro de uma garrafa magnética e libertar o plasma através de um bocal magnético, de modo que nenhum material sólido necessita de entrar em contacto com o plasma. Claro que, a maquinaria para fazer isto é complexa, mas a pesquisa em fusão nuclear tem desenvolvido métodos, alguns dos quais têm sido utilizados em sistemas de propulsão especulativos.
Motor de foguete H-1
Linear aerospike XRS-2200 engine
Motores foguete que poderiam ser utilizados no espaço (todos libertam gases a menos que indicado de outro modo):
Por outro lado, os motores têm sido propostos que tiram proveito do ar, de algum modo (como fazem os motores a jacto e outros motores de ar de respiração):
Este motor acelera íons teste usando forças eletrostáticas
Em vez de depender de alta temperatura e dinâmica dos fluidos para acelerar a massa de reacção a altas velocidades, há uma variedade de métodos que utilizam electrostáticos ou electromagnéticos forças para acelerar a massa de reacção directa. Normalmente, a massa de reacção é uma corrente de iões. Tal motor requer energia elétrica para funcionar, e velocidades de escape elevadas exigem grandes quantidades de energia.
Acontece que para uma aproximação razoável, para essas unidades, que o uso de combustível, eficiência energética e de impulso são todos inversamente proporcional à velocidade de escape. Sua velocidade de escape muito elevada significa que eles exigem grandes quantidades de energia e fornecer baixo empuxo, mas usar quase nenhum combustível.
Para algumas missões, a energia solar pode ser suficiente, mas para outros será necessário energia nuclear; motores de desenho a sua energia de uma fonte nuclear são chamados foguetes elétricas nucleares. Com qualquer fonte de corrente de alimentação, a quantidade máxima de energia que pode ser gerada limita a quantidade máxima de impulso que pode ser produzido para um valor muito pequeno. A geração de energia também muitas vezes acrescenta massa significativa para a nave espacial.
Alguns métodos electromagnéticos:
O efeito Biefeld-Brown é um efeito elétrico um pouco exótico. No ar, uma tensão aplicada através de um determinado tipo de condensador produz um impulso. Houve alegações de que isso também acontece em um vácuo devido a algum tipo de ligação entre o campo eletromagnético e gravidade, mas as experiências recentes mostram nenhuma evidência dessa hipótese.
Estudo da NASA de uma vela solar. A vela seria meio quilômetro de largura.
A lei da conservação de impulso determina que qualquer motor que utiliza nenhuma massa de reacção não pode deslocar o centro de massa de uma nave espacial (orientação variável, por outro lado, é possível). Mas o espaço não é vazio, especialmente espaço dentro dos Sistemas Solares; existe um campo magnético e um vento solar. Vários métodos de propulsão tentar tirar proveito disso; uma vez que todas estas coisas são muito difusa, estruturas de propulsão precisam ser grandes.
Unidades espaciais que não precisam (ou pouco) massa de reação:
Para alterar a orientação de um satélite ou outro veículo espacial, conservação do momento angular não representa uma restrição similar. Assim, muitos satélites usar volantes de inércia para controlar suas orientações. Estes não podem ser o único sistema para controlar a orientação por satélite, como as perdas por atrito, eventualmente, exigir que o impulso para ser "sangrou off" usando um sistema secundário.
Alta pressão é de vital importância para o lançamento, o impulso por unidade de massa tem de ser bem acima g, ver também a gravidade arrastar. Muitos dos métodos de propulsão acima não fornecem que muito impulso, especialmente se a energia solar é usada. Para um lançamento por energia solar, pelo menos a massa do painel solar teria que ser inferior a 20 gramas por quilowatt de energia, e menos ainda se o impulso específico é maior ou menor do que o valor óptimo, o que seria em da ordem de grandeza de 10 km / s; Também o motor teria que ser muito leve e eficiente em termos de energia.
Toxicidade de exaustão ou outros efeitos colaterais também pode ter efeitos prejudiciais sobre o ambiente da espaçonave está lançando a partir de, a par de outros métodos de propulsão.
Portanto, todas as naves espaciais usam motores de foguetes químicos atuais (bipropulsores ou de combustível sólido) para o lançamento.
Uma vantagem que tem em nave espacial lançamento é a disponibilidade de infra-estrutura no terreno para ajudá-los. Mecanismos de lançamento assistido por terra propostas incluem:
A versão de teste do sistema de airbags Mars Pathfinder
Quando um veículo é para entrar em órbita ao redor de seu planeta de destino, ou quando ele é a terra, deve ajustar a sua velocidade. Isso pode ser feito usando todos os métodos listados acima (desde que possam gerar um impulso bastante alta), mas existem alguns métodos que podem tirar proveito de atmosferas planetárias.
Slingshots gravitacionais também pode ser utilizado para transportar uma sonda para a frente para outros destinos.
Além disso, uma variedade de técnicas de propulsão hipotéticos foram considerados que exigiria inteiramente novos princípios da física de realizar. Tais métodos seria essencial para qualquer esperança no voo espacial interestelar. Até à data, no entanto, tais métodos são actualmente altamente especulativa:
Abaixo está um resumo de algumas das mais populares tecnologias, comprovadamente, seguido de métodos cada vez mais especulativos.
Três números são mostrados. O primeiro é o impulso específico: a quantidade de impulso que pode ser produzido usando uma unidade de combustível. Esta é a característica mais importante do método de propulsão:
O segundo eo terceiro são os valores típicos de empuxo e os tempos típicos de queimaduras do método. Fora de um potencial gravitacional pequenas quantidades de impulso aplicadas durante um longo período dará o mesmo efeito que grandes quantidades de impulso ao longo de um curto período.
Este resultado não se aplica quando o objeto é influenciado pela gravidade.
Métodos de propulsão | |||
Método | Impulso específico | Impulso | Duração |
Métodos de propulsão de uso corrente | |||
Foguetes de combustível sólido | 1.000 - 4.000 | 10 3 - 10 7 | minutos |
Foguete híbrido | 1500 - 4200 | minutos | |
Monopropelente foguete | 1.000 - 3.000 | 0,1 - 100 | milissegundos - minutos |
Roda Momentum (somente controle de atitude) | N / D | N / D | indeterminado |
Bipropelente foguete | 1.000 - 4.700 | 0,1 - 10 7 | minutos |
Foguete Tripropellant | 2500 - 4500 | minutos | |
Foguete resistojato | 2000 - 6000 | -2 10 - 10 | minutos |
Foguete Arcjet | 4.000 - 12.000 | -2 10 - 10 | minutos |
Salão efeito propulsor (HET) | 8.000 - 50.000 | 10 -3 - 10 | meses |
Propulsor de íons eletrostática | 15.000 - 80.000 | 10 -3 - 10 | meses |
O campo elétrico emissão de Propulsão (Feep) | 100.000 - 130.000 | 10 -6 - -3 10 | semanas |
Propulsor magnetoplasmadinâmico (MPD) | 20.000 - 100.000 | 100 | semanas |
Hélice de plasma pulsado (PPT) | |||
Propulsor indutivo Pulsada (PIT) | 50.000 | 20 | meses |
Foguete elétrico Nuclear | Como propulsão elétrica método utilizado | ||
Propulsão Tether | N / D | 1 - 10 12 | minutos |
Atualmente métodos de propulsão viável | |||
As velas solares | N / D | 9 por km 2 | Indeterminado |
Motoristas de massa (para a propulsão) | 30.000 -? | 10 4 - 10 8 | meses |
Projeto Orion (Near prazo de propulsão nuclear de pulso) | 20.000 - 100.000 | 10 9 - 10 12 | muitos dias |
Variável foguete impulso magnetoplasma específico (VASIMR) | 10.000 - 300.000 | 40 - 1.200 | dias - meses |
Foguete térmica nuclear | 9000 | 10 5 | minutos |
Foguete solar térmica | 7.000 - 12.000 | 1 - 100 | semanas |
Radioisótopos foguete | 7,000-8,000 | meses | |
Foguete aumentada-Air | 5.000 - 6.000 | segundos minutos | |
Líquido motor de ciclo de ar | 4500 | segundos minutos | |
SABRE | 30.000 / 4.500 | minutos | |
Modo Dual propulsão de foguetes | |||
Tecnologias que exigem mais investigação | |||
Velas magnéticos | N / D | Indeterminado | Indeterminado |
Propulsão plasma Mini-magnetospheric | 200000 | ~ 1 N / kW | meses |
Propulsão de pulso nuclear (unidade de Orion) | 20.000 - 1.000.000 | 10 9 - 10 12 | meia hora |
Gasoso reator de fissão | 10.000 - 20.000 | 10 3 - 10 6 | |
Antimatter catalisada propulsão nuclear pulso | 20.000 - 400.000 | dias-semana | |
Foguete de água salgada Nuclear | 100000 | 10 3 - 10 7 | meia hora |
Propulsão alimentado-Beam | Como método de propulsão alimentado por feixe | ||
Fissão vela | |||
Fissão-fragmento de foguete | 10000000 | ||
Foguete fotônico Nuclear | 300000000 | 10 -5 - 1 | anos, décadas |
Significativamente além da engenharia atual | |||
Fusão foguete | |||
Bussard ramjet | |||
Antimatéria foguete | |||
Foguete Redshift |