Iontový motor

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 14. 8. 2022, 14:52

Test iontového motoru

Iontový motor je jedna z možných pohonných jednotek kosmických lodí. Pracuje na principu akce a reakce k čemuž využívá paprsek iontů urychlených na rychlosti v řádu desítek km/s. Tím dosahuje vysoký specifický impulz ve srovnání s chemickými raketami ať už na tuhá nebo kapalná paliva.

První iontový motor vyvinul na základě duoplazmatronu v šedesátých letech Harold R. Kaufman v NASA.

Typy iontových motorů

Schema funkce Hallova motoru

Existuje a používá se několik typů iontových motorů a další se vyvíjejí.

• Elektrostatický iontový motor
• Autoemisní elektrický motor
• Hallův motor
• Šroubovitý dvojvrstvý motor
• Motor s dutou elektrodou
• Pulzně buzený motor

Obecná konstrukce

Nejjednodušším typem iontového motoru je elektrostatický iontový motor v němž jsou kladné ionty těžkého inertního plynu argonu nebo páry rtuti urychlovány rozdílem elektrického potenciálu elektrodami ve tvaru mřížky. Za výstupní tryskou jsou ionty neutralizovány elektronovým dělem pro zachování celkové elektrické neutrality motoru.

Zdroje energie

K výhodám iontového pohonu patří to, že jako zdroj energie se nevyužívá chemických reakcí paliva, nýbrž elektrické energie, kterou lze získat ze solárních článků nebo radioizotopového termoelektrického generátoru. Nezvyšuje se tak hmotnost motoru a váha paliva tak tvoří menší část celkové hmotnosti pohonné jednotky.

Využití energie

Schema funkce elektrostatického iontového motoru (Kaufmanova typu)

Ionty v motoru jsou urychlovány na rychlosti v řádech desítek až stovek km/s, a tudíž jeho palivová účinnost je výrazně vyšší než u chemických motorů s maximální výstupní rychlostí 3-4 km/s. To znamená vyšší specifický impuls, tedy s menší hmotností neseného paliva je motor schopen urychlit kosmickou loď na vyšší rychlost.

Za ideálních podmínek je kladnému iontu udělena rychlost:

\(v_{iontu}=\sqrt{2\cdot\Delta U\cdot\frac{Q_{iontu}}{m_{iontu}}}\)

Ve skutečnosti je rychlost o něco nižší a také vektor rychlosti jednotlivých iontů má určitý rozptyl výstupního úhlu vzhledem k nárazům na výstupní mřížku.

Tahová síla

Přesto, že iontový motor má specifický impulz kolem 30 kN·s/kg, což je asi desetkrát více než u klasických pohonů, jejich nevýhodou je nízká tahová síla. Tento typ pohonu obvykle sondám uděluje zrychlení v řádu 0,01 m/s², a tak je v současnosti používán pouze v dlouhodobých misích. V rámci projektu HiPEP se zkoumal iontový pohon s vyšší tahovou silou, byl však pro pozastavení financování přerušen.

Životnost

Životnost iontového motoru je ovlivněna rychlostí nárazů urychlených částic na elektrody a množstvím neseného paliva. Poslední výzkumy naznačují, že je možné téměř zcela eliminovat efekt opotřebení mřížky. Vzhledem k nízkému zrychlení sond je nutná doba provozu několik měsíců až let. Velikost urychlujícího napětí musí být přizpůsobena očekávané životnosti. Není možné využívat příliš velké rozdíly napětí proto, že by se elektrody rychle opotřebovaly. Obvykle se používá napětí kolem 5 kV.

Mise s iontovým pohonem

• Deep Space 1
• Smart 1
• Hayabusa
• Dawn
• Zond 2
• GOCE

Externí odkazy

• Colorado State University Electric Propulsion & Plasma Engineering (CEPPE) Laboratory (anglicky)
• Geoffrey A. Landis: Laser-powered Interstellar Probe (anglicky)
• Choueiri, Edgar Y. (2009). New dawn of electric rocket. The Ion Drive (anglicky)
• The revolutionary ion engine that took spacecraft to Ceres (anglicky)
• Electric Propulsion Sub-Systems (PDF)