מערכות הנעה יוניות

מבוא/כללי

השימוש היעיל אותו עושות מערכות הנעה יוניות בדלק ובאנרגיה חשמלית, מאפשר לחלליות מודרניות לנוע רחוק יותר-מהר יותר-זול יותר מאשר בכל שיטות ההנעה הזמינות כיום.

לאחר כ 50 שנות פיתוח מעבדתי, ותוך התבססות על הצלחתן המרהיבה של משימות חלל מהשנים האחרונות, קונה לו המנוע היוני מקום מרכזי בליבה של תוכנית החלל.

מערכות ההנעה הקונבנציונאליות - המבוססות על ראקציות כימיות - כמעט והגיעו לגבולות היעילות התאורטיים שלהן, ואינן מאפשרות את השגתן של הרבה מהמשימות, היותר חשובות, המצויות ברשימת היעדים של תוכנית החלל.

מערכות דחף יוניות משמשות כיום לשמירת מסלול בלווייני תקשורת, ובתור מערכות הנעה עיקריות בגששי חלל עמוק.

הרצת ניסוי של מנוע הדחף היוני של חללית Deep Space 1

עקרונות פעולה

מבנה המנוע יתואר על בסיס הדיאגרמה, תוך מעבר משמאל לימין.

מקור הכוח של המנוע הינה אנרגיה חשמלית. האנרגיה החשמלית משמשת לשתי מטרות עיקריות:

אטומי החומר הנהדף מוזנים לתא היינון. בתא נחשפים האטומים "למטח" אלקטרונים "הנורים" ממערכת האצה חשמלית. אלקטרון הנתון באטום של החומר הנהדף - הנפגע מאלקטרון מואץ - נחלץ מהאטום שלו ומותיר יון חיובי.

המגנטים משמשים להגברת יעילות היינון על ידי מיון האלקטרונים כדלקמן:

אלקטרודות ההאצה בנויות בצורת רשת המאפשרת לספק פוטנציאל מושך ליונים המצויים בתוך התא, כמו גם פתחים למעברם החוצה. תהליך זה, במסגרתו מואצים היונים הכבדים ונהדפים לאחור, מספק את הדחף לחללית.

קתודת הניטרול מספקת אלקטרונים לזרם היונים הנהדף לאחור.

יש לזכור כי התהליך החל כאשר החללית על כל מרכיביה, לרבות החומר הנהדף, בנויה מאטומים ניטרליים. תהליך היינון מפריד את האטומים הניטרליים של החומר הנהדף:

בהעדר קתודת הניטרול יוותרו האלקטרונים שחולצו בעת היינון בחללית, ויהפכו אותה לבעלת מטען שלילי הגדל עם הזמן. המטען השלילי ימשוך את היונים (החיובים) הנהדפים לאחור - חזרה אל החללית - וייצר כוח הפוך לכוח הדחף.

החומר הנהדף (ה"דלק") הנפוץ הינו גאז קסנון, אשר נבחר מכמה טעמים:

ווריאציות תכנון

על מנת להתאים לטווח המשימות הרחב המתוכנן על בסיס מנועים יוניים, מתוכננות וריאציות על שלושה מרכיבים עיקריים של המנוע: מקור הכוח-שיטת היינון-שיטת ההאצה.

מקור הכוח

המנועים אשר הוכנסו לשימוש מבצעי עד כה, מתבססים על אנרגיית השמש כמקור הזנה. לדוגמא Deep Space 1:

ליצירת כוח דחף גדול יותר, ו/או פעולה במרחקים גדולים מהשמש, מתוכננות טכנולוגיות גרעיניות ליצירת חשמל:

שיטת היינון - וריאציות עיקריות:

שיטת ההאצה - וריאציות עיקריות:

החללית הארופית SMART 1 - הנעה חשמלית על בסיס אפקט HALL

יעילות השוואתית

פן יעילות מרכזי בהנעה חללית הינו ה"מתקף הסגולי" (Specific Impulse).

המתקף הסגולי מוגדר ככמות התנע אותו מקנה, יחידת מסה של החומר ההודף/נהדף.

נפוצה מדידה של המתקף הסגולי ביחס ליחידת משקל של החומר ההודף, כפי שתישקל בגובה פני הים על כדור הארץ. בקונבנציה זו מתקבל המתקף הסגולי ביחידות של זמן(=משקל/תנע).

כפי שמשתקף בגרף שמשמאל, המתקף הסגולי של מערכות הנעה יוניות גדול פי 10 מהמתקף של מערכות הנעה כימיות.

חשוב לשים לב כי רק חלק לא גדול ממערכות ההנעה המופיעות בגרף, זמינות כיום, ואלו הן:

התאמת המשימה לשיטת ההנעה

מאפיינים השוואתיים של ההנעה היונית

היות ומערכות ההנעה היוניות הזמינות כיום מייצרות כוח דחף נמוך במיוחד, האצה/האטה של רכב החלל דורשת פעולת מנוע למשכי זמן ארוכים.

המתקף הסגולי הגבוה מבטיח כמה תכונות שקולות:

(מערכת הייחוס להשוואות שלהלן, הינה מערכת ההנעה הרקטית (הכימית) הישימה.)

ולכן...: המשימות הייחודיות למנועים יוניים

מנועי תיקון מסלול בלוויינים

בעוד לווינים המבוססים על תיקוני מסלול רקטיים, מכלים את הדלק עימו שוגרו תוך כ 10 שנים, מבטיחים הלווינים המבוססים על מנועי יוניים, אורך חיים כפול.

מסע בין-כוכבי

שלב השיגור הראשוני, והשגתה של מהירות מסלולית לנוכח כוח משיכה גדול, אינו מעשי ללא הנעה רקטית.

בה במידה, שלבי ההאטה בעת ביקור בפלנטה שכנה, דורשים גם הם הנעה רקטית או אמצעים אחרים.

לוויין התקשורת ASTRA 2 A

החללית Deep Space 1

משימות אל מול שיטות הנעה - הווה, עתיד, ועתיד רחוק (עד כה שוגרו משימות רק לחלקו הקרוב של האזור "הירוק")

פרוט משימות מהטווח המיידי

Deep Space 1 - החללית הראשונה

SMART 1

Hayabusa

DAWN

מקורות/לקריאה נוספת

רקע כללי

ווריאציות תכנון

משימות לדוגמא