Im Raumfahrzeugantrieb ist eine Saal-Trägerrakete ein Typ der Ion-Trägerrakete, in der das Treibgas durch ein elektrisches Feld beschleunigt wird. Saal-Trägerraketen fangen Elektronen in einem magnetischen Feld und verwenden dann die Elektronen, um Treibgas zu ionisieren, effizient die Ionen zu beschleunigen, um Stoß zu erzeugen, und die Ionen in der Wolke für neutral zu erklären. Saal-Trägerraketen werden manchmal Saal-Wirkungsträgerraketen oder Saal-Strom-Trägerraketen genannt. Saal-Trägerraketen werden häufig als ein gemäßigter spezifischer Impuls (1,600 s) Raumantriebstechnik betrachtet. Die Saal-Wirkungsträgerrakete hat aus beträchtlicher theoretischer und experimenteller Forschung seit den 1960er Jahren einen Nutzen gezogen.

Saal-Trägerraketen funktionieren auf einer Vielfalt von Treibgasen, das allgemeinste Wesen xenon. Andere Treibgase von Interesse schließen Krypton, Argon, Wismut, Magnesium und Zink ein.

Saal-Trägerraketen sind im Stande, ihr Auslassventil zu Geschwindigkeiten zwischen 10-80 km/s (1.000-8.000 s spezifischer Impuls) mit den meisten Modellen zu beschleunigen, die zwischen 15-30 km/s (1.500-3.000 s spezifischer Impuls) funktionieren. Der von einer Saal-Trägerrakete erzeugte Stoß ändert sich abhängig vom Macht-Niveau. Geräte, die an 1.35 Kilowatt funktionieren, erzeugen ungefähr 83 mN des Stoßes. Hohe Macht-Modelle haben bis zu 3 N im Laboratorium demonstriert. Macht-Niveaus bis zu 100 Kilowatt sind von xenon Saal-Trägerraketen demonstriert worden.

Geschichte

Saal-Trägerraketen wurden unabhängig in den Vereinigten Staaten und der UDSSR in den 1950er Jahren und 1960er Jahren studiert. Jedoch wurde die Saal-Trägerrakete nur in ein effizientes Antrieb-Gerät in der ehemaligen Sowjetunion entwickelt, wohingegen in den Vereinigten Staaten Wissenschaftler stattdessen auf das Entwickeln gridded Ion-Trägerraketen eingestellt haben.

Zwei Typen von Saal-Trägerraketen wurden in der Sowjetunion entwickelt:

• Trägerraketen mit der breiten Beschleunigungszone, SPT (Stationäre Plasmaträgerrakete) am Designbüro Fakel
• Trägerraketen mit der schmalen Beschleunigungszone, DAS (Russisch: ДАС, двигатель с анодным слоем; Englisch: TAL, Trägerrakete mit der Anode-Schicht), am Hauptforschungsinstitut für die Maschine, die (TsNIIMASH) Baut.

Das allgemeine SPT Design war größtenteils die Arbeit von A. I. Morozov. Der erste SPT, um im Raum, ein auf dem sowjetischen Meteor-Raumfahrzeug gestarteter SPT-50 zu funktionieren, war gestarteter Dezember 1971. Sie wurden für die Satellitenstabilisierung im nordsüdlichen und in Ostwestrichtungen hauptsächlich verwendet. Seitdem bis zum Ende der 1990er Jahre haben 118 SPT Motoren ihre Mission vollendet, und ungefähr 50 haben fortgesetzt, bedient zu werden. Der Stoß der ersten Generation von SPT Motoren, SPT-50 und SPT-60 war 20 und 30 mN beziehungsweise. 1982 wurden SPT-70 und SPT-100, ihre Stöße eingeführt, die 40 und 83 mN beziehungsweise sind. Im postsowjetischen Russland Hochleistungs-(einige Kilowatt) SPT-140, SPT-160, SPT-200, T-160 und niedrige Macht (weniger als 500 W) wurden SPT-35 eingeführt.

Sowjetische und russische TAL-Typ-Trägerraketen schließen den D-38, D-55, D-80 und D-100 ein.

Sowjet-gebaute Trägerraketen wurden nach Westen 1992 nach einer Mannschaft von elektrischen Antrieb-Fachmännern vom Strahlantrieb-Laboratorium der NASA, Forschungszentrum von Glenn, und dem Luftwaffenforschungslabor unter der Unterstützung der Verteidigungsorganisation der Ballistischen Rakete vorgestellt, haben sowjetische Laboratorien besucht und haben experimentell den SPT-100 (d. h., ein 100-Mm-Diameter SPT Trägerrakete) bewertet. Mehr als 200 Saal-Trägerraketen sind auf sowjetischen/russischen Satelliten in den letzten dreißig Jahren geweht worden. Keine Misserfolge einer Saal-Trägerrakete sind jemals auf der Bahn vorgekommen. Saal-Trägerrakete setzt fort, auf dem russischen Raumfahrzeug verwendet zu werden, und ist auch auf dem europäischen und amerikanischen Raumfahrzeug geflogen. Raumsystems/Loral, ein amerikanischer Hersteller des kommerziellen Satelliten, fliegt jetzt Fakel SPT-100'S auf ihrem GEO Kommunikationsraumfahrzeug. Seit ihrer Einführung nach Westen am Anfang der 1990er Jahre sind Saal-Trägerraketen das Thema einer Vielzahl von Forschungsanstrengungen überall in den Vereinigten Staaten, Frankreich, Italien, Japan und Russland (mit vielen kleineren Anstrengungen gewesen, die in verschiedenen Ländern über den Erdball gestreut sind). Die Saal-Trägerrakete-Forschung in den Vereinigten Staaten wird an mehreren Regierungslaboratorien, Universitäten und privaten Gesellschaften geführt. Regierungszentren schließen das Strahlantrieb-Laboratorium der NASA, das Forschungszentrum von Glenn der NASA und das Luftwaffenforschungslabor (Edwards AFB, CA) ein. Universitäten schließen das Institut von US-Luftwaffe für die Technologie, die Universität Michigans, Stanford, MIT, Princeton, die Michiganer Technologie und die Technologie von Georgia ein. Ein beträchtlicher Betrag der Entwicklung wird in der Industrie, wie Aerojet and Busek Co. in den USA, SNECMA in Frankreich und Alta in Italien geführt.

Der erste Gebrauch von Saal-Trägerraketen außerhalb der Bahn der Erde war auf der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) Mondmission KLUGER 1 2003. Saal-Trägerraketen wurden zuerst auf einem Westsatelliten auf Naval Research Laboratory (NRL) STEX Raumfahrzeug demonstriert, das der russische D-55 geflogen ist. Die erste amerikanische Saal-Trägerrakete, um im Raum zu fliegen, war der Busek BHT-200 auf dem TacSat-2 Technologiedemonstrationsraumfahrzeug. Der erste Flug einer amerikanischen Saal-Trägerrakete auf einer betrieblichen Mission, war der Aerojet BPT-4000, der August 2010 auf der militärischen Fortgeschrittenen Äußerst Hohen Frequenz GEO Nachrichtensatellit gestartet hat. An 4.5 Kilowatt ist der BPT-4000 auch die höchste im Raum jemals gewehte Macht-Saal-Trägerrakete. Außer den üblichen stationkeeping Aufgaben stellt der BPT-4000 auch Bahn-Aufhebungsfähigkeit dem Raumfahrzeug zur Verfügung. Mehrere Länder weltweit setzen Anstrengungen fort, Saal-Trägerrakete-Technologie für den kommerziellen Gebrauch zu qualifizieren.

Operation

Der wesentliche Arbeitsgrundsatz der Saal-Trägerrakete ist, dass es ein elektrostatisches Potenzial verwendet, um Ionen bis zu hohen Geschwindigkeiten zu beschleunigen. In einer Saal-Trägerrakete wird die attraktive negative Anklage durch ein Elektronplasma am offenen Ende der Trägerrakete statt eines Bratrostes zur Verfügung gestellt. Ein radiales magnetisches Feld von hundert gauss (ungefähr 100-300 G, 0.01-0.03 T) wird verwendet, um die Elektronen zu beschränken, wo die Kombination des radialen magnetischen Feldes und axialen elektrischen Feldes die Elektronen veranlasst, scheitelwinklig zu treiben, den Saal-Strom bildend, von dem das Gerät seinen Namen bekommt.

Eine schematische von einer Saal-Trägerrakete wird im Image nach rechts gezeigt. Ein elektrisches Potenzial zwischen 150 und 800 Volt wird zwischen der Anode und Kathode angewandt.

Die Hauptspitze bildet einen Pol eines Elektromagneten und wird durch einen Ringraum umgeben, und darum ist der andere Pol des Elektromagneten mit einem radialen magnetischen Feld zwischen.

Das Treibgas, wie Xenon-Benzin, wird durch die Anode gefüttert, die zahlreiche kleine Löcher darin hat, um als ein Gasverteiler zu handeln. Treibgas von Xenon wird wegen seines hohen Atomgewichts und niedrigen Ionisationspotenzials verwendet. Da sich die neutralen xenon Atome in den Kanal der Trägerrakete verbreiten, werden sie durch Kollisionen mit hohen Energiezirkulieren-Elektronen (normalerweise 10-40 eV, oder ungefähr 10 % der Entladungsstromspannung) ionisiert. Einmal ionisiert haben die xenon Ionen normalerweise eine Anklage +1, obwohl ein kleiner Bruchteil (~20 %) +2 ist.

Die xenon Ionen werden dann durch das elektrische Feld zwischen der Anode und der Kathode beschleunigt. Für Entladungsstromspannungen 300 V erreichen die Ionen Geschwindigkeiten von ungefähr 15 km/s für einen spezifischen Impuls von 1,500 Sekunden (15 kN · s/kg). Nach dem Herausnehmen, jedoch, ziehen die Ionen eine gleiche Anzahl von Elektronen mit ihnen, eine Wolke ohne Nettoanklage schaffend.

Das radiale magnetische Feld wird entworfen, um stark genug zu sein, um die Elektronen der niedrigen Masse, aber nicht die Hoch-Massenionen wesentlich abzulenken, die einen viel größeren gyroradius haben und kaum behindert werden. Die Mehrheit von Elektronen wird so durchstochen, im Gebiet des hohen radialen magnetischen Feldes in der Nähe vom Trägerrakete-Ausgangsflugzeug umkreisend, das in E×B (axiales elektrisches Feld und radiales magnetisches Feld) gefangen ist. Diese Augenhöhlenfolge der Elektronen ist ein zirkulierender Saal-Strom, und es ist davon, dass die Saal-Trägerrakete seinen Namen bekommt. Kollisionen mit anderen Partikeln und Wänden, sowie Plasmainstabilitäten, erlauben einigen der Elektronen, vom magnetischen Feld befreit zu werden, und sie treiben zur Anode.

Ungefähr 20-30 % des Entladungsstroms sind ein Elektronstrom, der Stoß nicht erzeugt, der die energische Leistungsfähigkeit der Trägerrakete beschränkt; die anderen 70-80 % des Stroms sind in den Ionen. Weil die Mehrheit von Elektronen im Saal-Strom gefangen wird, haben sie eine lange Verweilzeit innerhalb der Trägerrakete und sind im Stande, fast das ganze xenon Treibgas zu ionisieren, Massenanwendungen von 90-99 % berücksichtigend. Die Massenanwendungsleistungsfähigkeit der Trägerrakete ist so ungefähr 90 %, während die Entladungsstrom-Leistungsfähigkeit ungefähr 70 % für eine vereinigte Trägerrakete-Leistungsfähigkeit von ungefähr 63 % (= 90 % × 70 %) ist. Moderne Saal-Trägerraketen haben Wirksamkeit nicht weniger als 75 % durch fortgeschrittene Designs erreicht.

Im Vergleich zu chemischen Raketen ist der Stoß auf der Ordnung von 83 mN für eine typische Trägerrakete sehr klein, die an 300 V, 1.5 Kilowatt funktioniert. Zum Vergleich ist das Gewicht einer Münze wie das amerikanische Viertel oder eine 20-Cent-Euromünze etwa 60 mN.

Jedoch funktionieren Saal-Trägerraketen an den hohen spezifischen Impulsen, der für den elektrischen Antrieb typisch ist. Ein besonderer Vorteil von Saal-Trägerraketen, verglichen mit einer gridded Ion-Trägerrakete, besteht darin, dass die Generation und Beschleunigung der Ionen in einem quasineutralen Plasma stattfinden, und also gibt es keine Kinder-Langmuir Anklage (Raumanklage) gesättigte Strombegrenzung auf der Stoß-Dichte. Das berücksichtigt viel kleinere Trägerraketen im Vergleich zu gridded Ion-Trägerraketen.

Ein anderer Vorteil besteht darin, dass diese Trägerraketen eine breitere Vielfalt von Treibgasen verwenden können, die der Anode, sogar Sauerstoff geliefert sind, obwohl etwas leicht Ionisiertes an der Kathode erforderlich ist.

Zylindrische Saal-Trägerraketen

Obwohl herkömmliche (ring)-Saal-Trägerraketen im Kilowatt-Macht-Regime effizient sind, werden sie ineffizient, wenn erklettert, für kleine Größen. Das ist wegen der Schwierigkeiten, die mit dem Halten der unveränderlichen Leistungsschuppen-Rahmen vereinigt sind, während sie die Kanalgröße vermindern und die angewandte magnetische Feldkraft vergrößern. Das hat zum Design der zylindrischen Saal-Trägerrakete geführt. Die zylindrische Saal-Trägerrakete kann zu kleineren Größen wegen seiner nichtherkömmlichen Entladungsraum-Geometrie mehr sogleich erklettert werden und hat magnetisches Feldprofil vereinigt. Die zylindrische Saal-Trägerrakete leiht mehr sogleich sich zur Miniaturisierung und Operation der niedrigen Macht als eine herkömmliche (ring)-Saal-Trägerrakete. Der primäre Grund für zylindrische Saal-Trägerraketen besteht darin, dass es schwierig ist, eine regelmäßige Saal-Trägerrakete zu erreichen, die über einen breiten Umschlag von ~1 Kilowatt unten zu ~100 W funktioniert, während sie eine Leistungsfähigkeit von 45-55 % aufrechterhält.

Anwendungen

Saal-Trägerraketen sind im Raum seit dem Dezember 1971 geflogen, als die Sowjets einen SPT-50 auf dem Meteor-Satelliten gestartet haben. Mehr als 240 Trägerraketen sind im Raum seit dieser Zeit mit einer 100-%-Erfolg-Rate geflogen. Saal-Trägerraketen werden jetzt auf dem kommerziellen GEO Nachrichtensatelliten alltäglich geweht, wo sie für die Bahn-Einfügung und stationkeeping verwendet werden.

Die erste Saal-Trägerrakete, um auf einem Westsatelliten zu fliegen, war ein russischer D-55, der von TsNIIMASH auf dem STEX Raumfahrzeug des NRO gebaut ist, gestartet am 3. Oktober 1998.

Das elektrische Sonnenantrieb-System des KLUGEN 1 Raumfahrzeugs der Europäischen Weltraumorganisation hat eine Saal-Trägerrakete von Snecma PPS-1350-G verwendet. KLUGER 1 war eine Technologiedemonstrationsmission, die den Mond umkreist hat. Dieser Gebrauch des PPS-1350-G, am 28. September 2003 anfangend, war der erste Gebrauch einer Saal-Trägerrakete außerhalb der erdsynchronen Erdbahn (GEO). Verschieden von den meisten in kommerziellen Anwendungen verwendeten Saal-Trägerrakete-Antrieb-Systemen konnte die Saal-Trägerrakete auf KLUGEM 1 mehr als eine Reihe der Macht, des spezifischen Impulses erdrosselt und gestoßen werden.

• Entladungsmacht: 0.46-1.19 Kilowatt
• Spezifischer Impuls: 1.100-1.600 s
• Stoß: 30-70 mN

2005 hat KLUGER 1 seine Xenon-Versorgung nach dem fehlerfreien Funktionieren der Trägerrakete und Herstellen neuer Aufzeichnungen für die Saal-Trägerrakete-Operation im Raum erschöpft

• Trägerrakete Betriebszeit: 5,000 h
• Durchfluss von Xenon: 82 Kg
• Gesamtimpuls: 1.1 MN · s
• Gesamt-ΔV: 3.9 km/s

In der Parallele zur Flugdemonstration hat ein Qualifikationsmodell (QM) PPS-1350-G auch Tragen-Prüfung im Boden erlebt. Im Laufe 2007 hat das QM Modell demonstriert:

• Trägerrakete Betriebszeit: 10,500 h
• Gesamtimpuls: 3.39 MN · s
• Zyklen des Anfangs/Halts: 7,309

Links

• Strahlantrieb-Laboratorium von NASA
• Alta S.p. A. (Italien) Seite auf der HT-100 Saal-Trägerrakete
• Aerojet (Redmond, WA die USA) - Saal-Trägerrakete-Verkäufer
• Busek (Natick, Magister artium die USA) - Saal-Trägerrakete-Verkäufer
• Versuchsplan-Büro Fakel (Kaliningrad, Russland) - Saal-Trägerrakete-Verkäufer
• MIT Raumantrieb-Laboratorium
• Michiganer Technologie. Univ. Ion-Raumantrieb-Laboratorium
• Institut von Georgia für die Technologie High-Power Electric Propulsion Laboratory (HPEPL)
• Colorado staatliche Universität elektrischer Antrieb & Plasmatechnik (CEPPE) Laboratorium
• Universität Michigans Plasmadynamics und elektrisches Antrieb-Laboratorium (PEPL)
• NASA Forschungszentrum-Saal-Trägerrakete-Programm von Glenn
• Plasmaphysik-Laborseite von Princeton auf Saal-Trägerraketen
• Snecma SA (Frankreich) Seite auf der PPS-1350 Saal-Trägerrakete
• ESA Seite auf Saal-Trägerraketen
• Raumsystems/Loral - Westsatellitenhersteller, der den von SPT Anbietet