wolf
2015/05/03, 19:52
موتور یونی، یکی از سیستم های پیشران است که در سفرهای فضایی کاربرد دارد. در یک کلام، سیستم پیشرانی که با شتاب دادن به پلاسما (گاز باردار)، نیروی پیشران وسایل نقلیه فضایی را تأمنین می کند. موتورهای یونی را بیشتر با نام پیشران های یونی می شناسند.
http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/974px-Ion_Engine_Test_Firing_-_GPN-2000-000482.jpg (http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/974px-Ion_Engine_Test_Firing_-_GPN-2000-000482.jpg)
آزمایش یک موتور یونی. نور ضعیف آبی که در تصویر مشاهده می شود، گازهای خروجی از اگزوز موتور است که نیروی پیشران آن را تأمین می نماید.
اصل اولیه، برای نخستین بار توسط یک دانشمند متخصص موشک آمریکایی به نام دکتر رابرت گودارد در سال ۱۹۰۶ پیشنهاد شد. بعدها او نخستین آزمایشاتش را در زمینه موتور یونی، در سالهای ۱۹۱۶ تا ۱۹۱۷ به انجام رسانید. این نظریه مجدداً توسط دانشمندی آلمانی به نام هرمان اوبرت در مقاله ای در سال ۱۹۲۳ پیشنهاد شد. امروزه موتورهای یونی در دو دسته قرار می گیرند: الکترواستاتیک ها و الکترومگنتیک ها. هر کدام از این موتورها، از اصول متفاوت نیروی اکترومغناطیس برای ایجاد پیشران یونی استفاده می کنند. موتورهای الکترواستاتیک، بر اساس قانون کولن کار می کنند؛ بر اساس این قانون، یک ذره باردار متحرک، میدان الکتریکی ایجاد می کند. میزان قدرت این میدان الکتریکی، همان چیزی است که گاز پیشران را در این نوع از موتورها شتاب می دهد. رایج ترین نوع این موتورهای یونی، پیشران های مشبک الکترواستاتیک است که نسبتاً از طراحی ساده ای برخوردارند.در قدم اول، سوخت مورد نیاز یک گاز خنثی همانند زنون و یا کریپتون است. در یک طرف پیشران، کاتودی وجود دارد که گاز را آنچنان تحت بمباران الکترونی قرار می دهد تا گاز مزبور باردار شده یا تبدیل به پلاسما شود. سپس پلاسما به سمت صفحه مشبک انتهای موتور هدایت می شود. نخستین صفحه، غلاف نام دارد و صفحه دوم را نیز شتابدهنده می نامند. انرژی پتانسیل پلاسما زمانیکه از این دو صفحه عبور می کند، یک میدان الکترواستاتیکی ایجاد می کند و همین میدان نیز پلاسما را با شتاب زیادی که بیرون از موتور هل می دهد. پس از خروج از موتور، پلاسما تحت بمباران الکترونی کاتود دیگری بیرون از محفظه موتور قرار می گیرد تا تعادل مابین یون های مثبت و منفی در پلاسما برقرار گردد و بدین وسیله از بازگشت مجدد گاز به درون موتور جلوگیری شود.
http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/102690main_ion_thruster_diag_516x366.jpg (http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/102690main_ion_thruster_diag_516x366.jpg)
تصویری شماتیک از ساختار یک پیشران مشبک الکترواستاتیک. نواحی آبی رنگ، گاز پیشران را نشان می دهد. همان طور که مشخص است ابتدا گاز بوسیله لوله هایی به درون محفظه موتور هدایت می شود و پس از عبور از دو صفحه مشبک، باردار شده و به بیرون هل داده می شود. سپس جریانی از الکترون ها بوسیله یک کاتد که در بالای ناحیه خروجی موتور قرار داده شده، به سمت گاز شلیک می شود تا تعادل الکتریکی آن ثبات یابد و گاز دوباره قصد بازگشت به درون موتور را نکند.
موتورهای الکترومگنتیک، بر اساس قانون لورنتز کار می کنند. نیروی اصلی ای که ذرات باردار را به بیرون پرتاب می کند اینبار از طریق میدان الکتریکی تأمین می شود که عمود بر آن، یک میدان مغناطیسی متناوب نیز وجود دارد. مثال ساده ای از این موتورها، پیشران تپنده القائی نام دارد. این موتور اساساً یک مخروط است که یک سیم پیج القاگر به دور آن پیچیده شده است و تعدادی باتری که به سیم پیچ متصلند که در نهایت یک آهنربای الکتریکی بزرگی را تشکیل می دهند.در حالی که سیم پیچ به جریان الکتریسیته متصل می شود، گاز به درون مخروط پمپ می شود. همین امر باعث می شود تا یک نیروی مغناطیسی در نوک مخروط (که خروجی موتور است) ایجاد شود و توأماً در درون مخروط یک جریان الکتریکی در جهت مخالف جریان اولیه بوجود آید. این جریان گاز درون مخروط را باردار کرده و ذرات باردار مثبت، بواسطه جریان دوم که عمود بر نیروی مغناطیسی است، به بیرون رانده می شوند.
http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/ImageForArticle_90392.jpg (http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/ImageForArticle_90392.jpg)
موتورهای پیشران یونی، مخالفین و موافقینی دارند. از یک نگاه، آنها بسیار مؤثر و کارآمدند و از نگاهی دیگر سریعاً دچار خرابی می شوند و نیروی پیشران اندکی نیز نسبت به موتورهای نسل اول ایجاد می کنند. گاهی اوقات یک موتور یونی بایستی روزها و یا هفته ها بطور مداوم کار کند تا فضاپیما را به سرعت مورد نیاز برساند. این نوع از موتورها برای نخستین بار در فضاپیمای Deep Space I مورد استفاده قرار گرفتند و بعدها نیز در مأموریت های فضایی معروفی همچون روزتا و سپیده دم(Dawn) نیز از آنها استفاده شد.
منابع : NASA (http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast15jun_1/) , science.nasa (http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/prop06apr99_2/) , Ion thruster (http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster) & bigbangpage
http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/974px-Ion_Engine_Test_Firing_-_GPN-2000-000482.jpg (http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/974px-Ion_Engine_Test_Firing_-_GPN-2000-000482.jpg)
آزمایش یک موتور یونی. نور ضعیف آبی که در تصویر مشاهده می شود، گازهای خروجی از اگزوز موتور است که نیروی پیشران آن را تأمین می نماید.
اصل اولیه، برای نخستین بار توسط یک دانشمند متخصص موشک آمریکایی به نام دکتر رابرت گودارد در سال ۱۹۰۶ پیشنهاد شد. بعدها او نخستین آزمایشاتش را در زمینه موتور یونی، در سالهای ۱۹۱۶ تا ۱۹۱۷ به انجام رسانید. این نظریه مجدداً توسط دانشمندی آلمانی به نام هرمان اوبرت در مقاله ای در سال ۱۹۲۳ پیشنهاد شد. امروزه موتورهای یونی در دو دسته قرار می گیرند: الکترواستاتیک ها و الکترومگنتیک ها. هر کدام از این موتورها، از اصول متفاوت نیروی اکترومغناطیس برای ایجاد پیشران یونی استفاده می کنند. موتورهای الکترواستاتیک، بر اساس قانون کولن کار می کنند؛ بر اساس این قانون، یک ذره باردار متحرک، میدان الکتریکی ایجاد می کند. میزان قدرت این میدان الکتریکی، همان چیزی است که گاز پیشران را در این نوع از موتورها شتاب می دهد. رایج ترین نوع این موتورهای یونی، پیشران های مشبک الکترواستاتیک است که نسبتاً از طراحی ساده ای برخوردارند.در قدم اول، سوخت مورد نیاز یک گاز خنثی همانند زنون و یا کریپتون است. در یک طرف پیشران، کاتودی وجود دارد که گاز را آنچنان تحت بمباران الکترونی قرار می دهد تا گاز مزبور باردار شده یا تبدیل به پلاسما شود. سپس پلاسما به سمت صفحه مشبک انتهای موتور هدایت می شود. نخستین صفحه، غلاف نام دارد و صفحه دوم را نیز شتابدهنده می نامند. انرژی پتانسیل پلاسما زمانیکه از این دو صفحه عبور می کند، یک میدان الکترواستاتیکی ایجاد می کند و همین میدان نیز پلاسما را با شتاب زیادی که بیرون از موتور هل می دهد. پس از خروج از موتور، پلاسما تحت بمباران الکترونی کاتود دیگری بیرون از محفظه موتور قرار می گیرد تا تعادل مابین یون های مثبت و منفی در پلاسما برقرار گردد و بدین وسیله از بازگشت مجدد گاز به درون موتور جلوگیری شود.
http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/102690main_ion_thruster_diag_516x366.jpg (http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/102690main_ion_thruster_diag_516x366.jpg)
تصویری شماتیک از ساختار یک پیشران مشبک الکترواستاتیک. نواحی آبی رنگ، گاز پیشران را نشان می دهد. همان طور که مشخص است ابتدا گاز بوسیله لوله هایی به درون محفظه موتور هدایت می شود و پس از عبور از دو صفحه مشبک، باردار شده و به بیرون هل داده می شود. سپس جریانی از الکترون ها بوسیله یک کاتد که در بالای ناحیه خروجی موتور قرار داده شده، به سمت گاز شلیک می شود تا تعادل الکتریکی آن ثبات یابد و گاز دوباره قصد بازگشت به درون موتور را نکند.
موتورهای الکترومگنتیک، بر اساس قانون لورنتز کار می کنند. نیروی اصلی ای که ذرات باردار را به بیرون پرتاب می کند اینبار از طریق میدان الکتریکی تأمین می شود که عمود بر آن، یک میدان مغناطیسی متناوب نیز وجود دارد. مثال ساده ای از این موتورها، پیشران تپنده القائی نام دارد. این موتور اساساً یک مخروط است که یک سیم پیج القاگر به دور آن پیچیده شده است و تعدادی باتری که به سیم پیچ متصلند که در نهایت یک آهنربای الکتریکی بزرگی را تشکیل می دهند.در حالی که سیم پیچ به جریان الکتریسیته متصل می شود، گاز به درون مخروط پمپ می شود. همین امر باعث می شود تا یک نیروی مغناطیسی در نوک مخروط (که خروجی موتور است) ایجاد شود و توأماً در درون مخروط یک جریان الکتریکی در جهت مخالف جریان اولیه بوجود آید. این جریان گاز درون مخروط را باردار کرده و ذرات باردار مثبت، بواسطه جریان دوم که عمود بر نیروی مغناطیسی است، به بیرون رانده می شوند.
http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/ImageForArticle_90392.jpg (http://bigbangpage.com/wp-content/uploads/2015/05/ImageForArticle_90392.jpg)
موتورهای پیشران یونی، مخالفین و موافقینی دارند. از یک نگاه، آنها بسیار مؤثر و کارآمدند و از نگاهی دیگر سریعاً دچار خرابی می شوند و نیروی پیشران اندکی نیز نسبت به موتورهای نسل اول ایجاد می کنند. گاهی اوقات یک موتور یونی بایستی روزها و یا هفته ها بطور مداوم کار کند تا فضاپیما را به سرعت مورد نیاز برساند. این نوع از موتورها برای نخستین بار در فضاپیمای Deep Space I مورد استفاده قرار گرفتند و بعدها نیز در مأموریت های فضایی معروفی همچون روزتا و سپیده دم(Dawn) نیز از آنها استفاده شد.
منابع : NASA (http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast15jun_1/) , science.nasa (http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/prop06apr99_2/) , Ion thruster (http://en.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster) & bigbangpage