Elektriline rakettmootor

Elektriline rakettmootor on rakettmootor, mis töötab elektrienergial.

Ühendavaks jooneks erinevate elektriliste rakettmootorite vahel on elektrienergia kasutamine saavutamaks suuremat eriimpulssi, ja seega suuremat reaktsioonimassi säästu, kui on võimalik keemilistes rakettmootorites. Peamiseks puuduseks on suurenenud nõudmised raketi elektrivarustussüsteemile.^[1]

Eristatakse elektrotermilisi, elektrostaatilisi ja elektromagnetilisi rakettmootoreid:

Elektrotermilised rakettmootorid kasutavad elektrienergiat reaktsioonimassiks oleva gaasi temperatuuri tõstmiseks. Gaasid väljuvad düüsi kaudu, tekitades reaktiivjõu.
Elektrostaatilised rakettmootorid ehk ioonmootorid ioniseerivad reaktsioonimassi ja eemaldavad vabad elektronid. Ioone kiirendatakse staatiliste elektriväljade abil.
Elektromagnetilised rakettmootorid ehk plasmamootorid kasutavad reaktsioonimassi kiirendamiseks Lorenzi jõudu või muutuvaid elektromagnetväljasid.^[1]^[2]

Elektrotermilised rakettmootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Kolm peamist elektrotermiliste rakettmootorite klassi on takistuslikud, mikrolaine-^[1] ja kaarlahendusmootorid.^[1]^[2] Nende kõigi tööpõhimõte seisneb tõukeaine kuumutamises elektrienergiaga, misjärel termodünaamika hoolitseb tõukeaine kiirendamise eest düüsist välja. Ehkki elektrotermilised mootorid erinevad keemilistest vaid energiaallika poolest, tekitab see olulisi erinevusi, mis määravad ära sobivad kasutusvaldkonnad.

Keemilised rakettmootorid on piiratud reaktsiooni kiiruse ja põlemiskambri seinte temperatuuriga, seetõttu jääb efektiivne väljumiskiirus 3 km/s piiresse. Elektrilised rakettmootorid on üldjuhul võimelised saavutama suuremaid väljumiskiirusi, ent ei suuda tagada võrreldavaid hetkevõimsusi (massi voogu). See tähendab, et sama kiiruse muudatuse kohta kulub vähem tõukeainet, kuid selle saavutamine nõuab rohkem aega. Reaktiivjoa väljumiskiirus on fundamentaalselt piiratud helikiirusega mootori kuumutuskambris, mis omakorda on piiratud tõukeaine temperatuuriga kambris ja seega kambri seinte materjaliga.^[1]

Elektrotermilisi mootoreid kasutatakse peamiselt asendimuutmis- või orbiidisäilitusmootoritena, milles nende väike, täpselt juhitav tõukejõud ning võrreldes ühekomponentsetel kütustel töötavate mootoritega parem tõukeainesäästlikkus on eelisteks. Suurtel satelliitidel, millel on juba olemas piisav elektritootmisvõimekus, on nad liiga väikese tõukejõuga, et efektiivselt täita peamootori ülesandeid.^[1]^[2]

Takistuslikud mootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Takistuslike rakettmootorite puhul voolab tõukeaine üle (või läbi) elektriliselt köetava elemendi, mis kuumutab tõukeaine kõrgele temperatuurile. Materjali piirangud, mis mõjutavad keemilisi rakettmootoreid, kehtivad ka siin: kütteelemendi maksimaalne temperatuur on piiratud selle materjali sulamistemperatuuriga. Praktiliseks piiriks on ~2700 K, mis H₂ tõukeaine puhul vastab väljumiskiirusele ~10 000 m/s, praktilisemate kütustega ca. 3500 m/s. Eeliseks kütus-oksüdeerija-mootori ees on võrreldav võimekus lihtsama disainiga, eeliseks ühekomponentsete kütustega põtkurite ees suurem joakiirus ja säästlikum tõukeaine kasutus.^[1]

Tüüpiline takistuslik rakettmootor töötab hüdrasiiniga, toodab u. 0.3 N tõukejõudu 500–750 W elektrienergiaga.^[1]^[2]

Kaarlahendusmootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Lihtsustatud kaarlahendusmootori struktuur: 1. Tõukeaine pealevool, 2. Plasmakaarlahendus

Kaarlahendusmootori puhul on takistuslik kütteelement asendatud kaarlahendusega läbi tõukeaineks oleva gaasi. Suunates kaarleegi asukohta, saab kuumutada tõukeaine kohati kuni 20 000 K, hoides samal ajal soojuskaod kambri seintele (ja seega ka seinte temperatuuri) kontrolli all.^[1] Piirid seab elektroodide temperatuur kaarleegi otstes, mis jällegi, ei tohi ületada u 3000 K. See on võimalik, kuna kaarlahendused tekitavad seina lähedal varjestava efekti, mis sunnib lahenduse otsa laienema, vähendades energiatihedust,^[2]^[3] ning kuna elektroodist üle voolav tõukeaine jahutab seda.^[1] Tööaeg on peamiselt piiratud elektroodide erosiooniga kaarleegi poolt.^[1]

2001. aasta seisuga olid regulaarselt kasutuses hüdrasiini kasutavad kaarlahendusmootorid väljumiskiirusega 5–6 km/s, võimsusega 2 kW ja tõukejõuga ca. 1/4 N.^[1]^[2]

Mikrolaine- ja induktsioonmootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Kolmas võimalus tõukeaine kuumutamiseks on radiatiivsed meetodid: mikrolained või induktsioon. Võrreldes ülejäänud meetoditega on eeliseks termoelemendi või elektroodide ehk temperatuuri koondumispunktide puudumine, puuduseks magnetronide väike efektiivsus võrreldes otsese kuumutamisega. Disain on küllaltki hästi miniaturiseeritav. Seni on tegu katsetusjärgus aparaatidega.^[1]

Elektrostaatilised rakettmootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Pikemalt artiklis Ioonmootor

Ioonmootorid kasutavad tõukeaine kiirendamiseks staatilisi elektriväljasid. Tõukeaine ioniseeritakse ja ioone kiirendatakse. Disainid erinevad tõukeaine, ioniseerimismeetodi ja elektrivälja tekitamise meetoditelt. Ioniseerimiseks kasutatakse kas elektronikahuriga pommitamist, termoelektronide induktiivset kiirendamist, kaarlahendust või otsest mikrolainekuumutamist. Tähtsamad disainid on järgmised:

Võrega elektrostaatilised ioonmootorid
- Ioone kiirendatakse, suunates need kahe kõrge potentsiaalivahega võre vahele
- Tõukeaineks kasutatakse suure aatommassiga gaase
- Ioniseerimiseks võib kasutada erinevaid meetodeid
- Kasutatakse süvakosmoses peamootoritena, peamiseks puuduseks võrede erosioon ioonidega pommitamise tõttu.
Halli tõukurid
- Ioone kiirendatakse mootori põhjas oleva katoodi ja mootori suudmes asuva magnetväljas tiirlevate elektronide pilve abil
- Tõukeaineks kasutatakse suure aatommassiga gaase
- Tõukeaine ioniseeritakse elektronidega pommitamise teel
Väljaemissioontõukurid ehk kolloid- ja vedelmetallmootorid
- Ioone kiirendatakse elektrit juhtiva tõukeaine massi ja väljumisava vahelise potentsiaalivahe abil
- Kasutatakse kolloide või vedelmetalle
- Elektrostaatiline ionisatsioon

Ioonmootoritega kaasneb alati väljuva reaktiivjoa neutraliseerimise vajadus, kuna vastasel korral tekiks kosmoseaparaadile staatiline laeng. Selleks kasutatakse enamasti välist elektronikahurit. Halli tõukurite puhul on väline kahur mootori tööks vajalike elektronide allikas, ülejäänud tüüpide puhul aga on tegu lisaenergiatarbijaga.^[1]^[2]

Elektromagnetilised mootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Pikemalt artiklis Plasmamootor

Elektromagnetilised ehk plasmamootorid erinevad elektrostaatilistest kahe olulise aspekti poolest: tõukeaine kiirendamiseks kasutatakse kas magnetvälja (Lorenzi jõud) või kõrgsageduslikku elektrivälja (ponderomotoorjõud) ning väljuv plasmajuga on neutraalne, st kiirendatakse nii ioone kui ka elektrone. Väljumiskiirused on võrreldavad ioonmootorite omadega (10–100 km/s), ent erinevalt ioonmootoritest on plasmamootoritel üldjuhul parem energiakäsitlusvõime, st võimalik on teha mitmesaja kilovati võimsusega mootoreid (erandiks pulseeriv plasmapõtkur, mida enamasti kasutatakse abimootorina asendikontrollil).

Hetkel puudub kosmoses selliste võimsate mootorite jaoks piisavalt võimas satelliidile paigutatav elektriallikas.^[1]^[2]

Tähtsamad tüübid on järgmised:

Magnetoplasmadünaamiline tõukur
- Plasma kiirendamiseks kasutatakse Lorenzi jõudu, mille tekitab radiaalne plasmalahendus välise ja keskmise elektroodi vahel
- Tõukeainena kasutatakse kergeid gaase või liitiumi (Lithium Lorenz Force Accelerator)
- Hakkab iseseisval režiimil tööle võimsusest u 200 kW, parem oleks ca 1 MW (madalamatel võimsustel jääb iseseisvalt tekitatud magnetväli liiga nõrgaks)
- Kvaasiimpulssrežiimis töötades (keskmine võimsus ~1 kW) on ka kosmoses testitud.
Pulseeritav plasmapõtkur
- Töötab relsskahuri põhimõttel
- Tõukeaineks suure aatommassiga gaas või mõni tahke aine, näiteks teflon
- Hetkvõimsus megavattides, keskmine sadades vattides
- Esimene kosmoses lennanud elektriline rakettmootor oli seda tüüpi.
Magnetsulustatud plasmamootorid
- Mootorid, kus plasma kõrge temperatuur hoitakse seinu kahjustamast magnetsulustamise abil
- Nt VASIMR, HDLT.

Tõukeained[muuda | muuda lähteteksti]

Reaktiivmootori töö aluseks on impulsi jäävuse seadus: et suurendada sõiduki kiirust ühes suunas, tuleb kiirendada reaktsioonimassi ehk tõukeainet vastassuunas, ning rakettmootor on definitsiooni järgi sunnitud kogu vajaliku tõukeaine endaga kaasa võtma.

Keemilistes rakettides koosneb tõukeaine üldjuhul oksüdeerija ja kütuse reaktsioonijääkidest või ühekomponentse kütuse laguproduktidest. Olulised on kütuse energiatihedus ja laguproduktide väike molekulmass, viimane seetõttu, et sellega kaasneb suurem reaktiivjoa kiirus ja vastavalt väiksem kütusekulu sama suure raketi kiirenduse kohta. See omakorda suurendab raketi kasuliku lasti osakaalu.^[1]^[2]

Elektrilistes rakettmootorites tuleneb mootori energia mitte keemilisest reaktsioonist, vaid välisest elektrienergia allikast. See tähendab, et puudub vajadus oksüdeerija järele, ning tõukeaine ei pea olema kütus. Sisuliselt võib tõukeainena kasutada iga ainet, mida on võimalik sobivas koguses mootorisse toita. Loomulikult on mugav, kui aine on lihtsalt käsitsetav, pole korrosiivne ega mürgine.^[1]^[2]

Elektrotermilised mootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Raketi tõuke efektiivsus $\textstyle \eta$ (jättes kõrvale soojuslikud kaod) on suurim, kui reaktiivjoa väljumiskiirus $\textstyle c$ on võrdne raketi liikumiskiirusega $\textstyle v$ . Intuitiivselt võib seda vaadelda kui tingimust, et tõukeaine jääb kosmoses seisma: seega puudub sel kineetiline energia, ja vastavalt peab kogu saadaolev energia minema raketile. Antud graafik ei arvesta sisemiste kadudega: soojuskaod kambri seintele, kaod reaktiivjoa soojusesse, elektrilised kaod

Elektrotermilistele mootoritele kehtib tavaline keemiliste rakettmootorite reegel: madalama aatommassiga tõukeained on eelistatumad. Seetõttu eelistatakse kergeid gaase: H₂, O₂, N₂, H₂O, CO₂, NH₃ ning CH₄, samuti hüdrasiini (N₂H₄) katalüütilise lagunemise produkte. Viimase puhul saab lisaks vähendada vajalikku elektrivõimsust: hüdrasiin on ühekomponentne kütus, mille lagunemine on tugevalt eksotermiline, tõstes temperatuuri juba ise 700 kraadini. Mööndusi tuleb teha tõukeainete säilitamise raskuste tõttu: enamik kaheaatomilisi gaase vajavad vedelal kujul säilitamiseks krüogeenilist jahutamist, mis pikkadel perioodidel, mis on tüüpilised elektriliste rakettmootorite kasutusvaldkondadele, muudab raketi konstruktsiooni keerukaks.^[1]^[2]

Elektrostaatilised mootorid[muuda | muuda lähteteksti]

Ioonmootorite puhul on kergetel tõukeainetel kaks olulist puudust:

Kuna raketi energeetiline efektiivsus langeb, kui reaktiivjoa väljumiskiirus ületab oluliselt raketi enda liikumiskiirust (energiat läheb kaduma tõukeaine kineetilise energia näol), ei ole liiga suur efektiivne väljumiskiirus hea, eriti tingimustes, kus piiravaks faktoriks on võimsus, mitte kogu saadaolev energia.
Väljumiskiiruse kasvuga kaasneb ioonvoolu kasv, mis mootori disainis tähendab jämedamaid juhtmeid, suuremaid voole ja nendega kaasnevaid magnetväljasid, ning madalamat pinget.

Lisaks eelistatakse tõukeaineid, mille ioniseerimispotentsiaal on väike, vältimaks asjatut energiakulu. Kasutatud on näiteks ksenooni, tseesiumi ja elavhõbeda aatomeid.^[1]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

↑ ^1,00 ^1,01 ^1,02 ^1,03 ^1,04 ^1,05 ^1,06 ^1,07 ^1,08 ^1,09 ^1,10 ^1,11 ^1,12 ^1,13 ^1,14 ^1,15 ^1,16 ^1,17 ^1,18 Sutton, George P.; Biblarz, Oscar (2001). Rocket propulsion elements. 7. New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-32642-9.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
↑ ^2,00 ^2,01 ^2,02 ^2,03 ^2,04 ^2,05 ^2,06 ^2,07 ^2,08 ^2,09 ^2,10 Jahn, Robert G.; Choueiri; Edgar Y. (2002). "Electric Propulsion". Meyers, Robert Allen (toim). Encyclopedia of Physical Science and Technology. Kd 5 (3. trükk). Waltham: Princeton: Academic Press. ISBN 978-0122274107.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)
↑ Bilek, Marcela; Brand, Ferg. "Chapter V – Wall phenomena: Diffusion and Sheaths" (PDF). Sydney: School of Physics University of Sydney. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 2.02.2013. Vaadatud 1.12.2013.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)

[Sutton-1] 1,00 ^1,01 ^1,02 ^1,03 ^1,04 ^1,05 ^1,06 ^1,07 ^1,08 ^1,09 ^1,10 ^1,11 ^1,12 ^1,13 ^1,14 ^1,15 ^1,16 ^1,17 ^1,18 Sutton, George P.; Biblarz, Oscar (2001). Rocket propulsion elements. 7. New York: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-32642-9.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)

[Jahn-2] 2,00 ^2,01 ^2,02 ^2,03 ^2,04 ^2,05 ^2,06 ^2,07 ^2,08 ^2,09 ^2,10 Jahn, Robert G.; Choueiri; Edgar Y. (2002). "Electric Propulsion". Meyers, Robert Allen (toim). Encyclopedia of Physical Science and Technology. Kd 5 (3. trükk). Waltham: Princeton: Academic Press. ISBN 978-0122274107.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)

[Bilek-3] Bilek, Marcela; Brand, Ferg. "Chapter V – Wall phenomena: Diffusion and Sheaths" (PDF). Sydney: School of Physics University of Sydney. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 2.02.2013. Vaadatud 1.12.2013.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)

[1]

[2]

[3]