پیشرانهای فضایی، ابزاری برای تغییر سرعت موشکها، ماهوارهها و فضاپیماها هستند. آنها روشهای متفاوتی برای تولید شتاب در سیستمهای فضایی دارند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارد کهبا توجه به نوع کاربرد، در سفر به فضا و یا کنترل وسیله فضایی در مدار از آنها استفادههای متفاوتی میشود.
اکثر پیشرانهای امروزی بر مبنای افزایش انرژی جنبشی سوخت و خروج سریع آنها از دهانه خروجی استوار میباشند. در اینگونه سیستمها به سوخت به اصطلاح داغ شده مجال داده میشود تا از
مجرایی به بیرون فرار کند. سرعت بسیار زیاد گازهای خروجی طبق قانون سوم نیوتن مجموعه موتور و هرآنچه را که به آن متصل است را در جهت مخالف خروج گازها به جلو هل خواهد داد. این نوع از پیشرانهای فضایی را موتورهای راکت مینامند. موتورهای راکت با توجه به فرآیند کسب انرژی توسط گازهای خروجی به دو دسته راکتهای شیمیایی و راکتهای غیر شیمیایی تقسیم میشوند.(در شکل بالا یک پیشران یونی در حال آزمایش نمایش داده شده است. جریان آبی رنگ به دلیل بازگشت از برانگیختگی اتمهای زنون به وجود میآید)
اکثر فضاپیماها از راکتهای شیمیایی استفاده میکنند. در اینگونه موتورها ماده شیمیایی قابل اشتعالی در مجاورت اکسیدکننده مناسبی قرار گرفته و شرایط لازم برای احتراق ترکیب فراهم میشود. حاصل احتراق گازهای پرانرژی و داغی است که مأموریت تولید پیشران را به عهده دارند. این دسته از موتورها با توجه به نوع سوخت و اکسیدکننده به دو دسته کلی تقسیم میشوند. موتورهای سوخت جامد و موتورهای سوخت مایع که موتورهای سوخت مایع خود دو نوع دارد. بعضی انواع موتورهای سوخت مایع که برای عمل در اتمسفر زمین طراحی میشوند مکنده بوده و اکسید کننده خود را که همان اکسیژن هوا است از راه مکش هوا به داخل موتور به دست میآورند. این عمل نظیر رفتار موتورهای جت هواپیماهای جنگی است. نوع دوم موتورهایی است که اکسید کننده در داخل مجموعه حمل میشود مانند بسیاری از موشکهای فضایی یا جنگی.
امروزه یکی از قدیمیترین و در عین حال مدرنترین موتورهای فضایی غیرشیمیایی، موتورهایی با پیشرانههای یونی هستند. این موتورها که در دسته موتورهای الکتریکی جای میگیرند و در حال حاضر در چند پروژه مهم فضایی مورد استفاده قرار گرفته و به خوبی پاسخگوی نیازمندیها بودهاند. جالب است که ایده استفاده از نیروی الکتریسیته برای تولید پیشران به سالهای اولیه تولید و گسترش موتورهای موشک بازمیگردد اما به دلیل محدودیتهای فناوری در آن روزگار این ایده تا به امروز عملیاتی نشده بود. در اینگونه موتورها جریان سریع محصولات داغ احتراق جای خود را به جریانی بسیار سریعتر از یونهای پرانرژی میدهند.
این موتورها نیروی پیشران بسیار اندکی تولید میکنند اما در مقابل مصرف آنها فوقالعاده ناچیز است. از این رو این قبیل موتورها صرفاً برای استفاده بسیار طولانی مدت که زمان کافی جهت افزایش سرعت وجود داشته باشد، کاربرد دارند.
یون یک تک اتم یا مجموعهای از اتمها است که با از دست دادن و یا به دست آوردن تعدادی الکترون، حالت خنثی الکتریکی خود را از دست میدهد و تقارن بین تعداد پروتونهای هسته و الکترونهای پوسته در این حالت به هم میریزد. اگر اتم تعداد الکترون بیشتری نسبت به پروتون داشته باشد به آن یون منفی یا آنیون گویند و در صورتی که تعداد الکترون کمتر از پروتون باشد به آن کاتیون یا یون مثبت میگویند.
در موتورهای الکتریکی روشهای متفاوتی برای شتاب دادن به یونها وجود دارد که تمام آنها یک نقطه مشترک دارند و آن این است که با تأمین نسبت شارژ به جرم بسیار زیاد، یونها را تا آنجا که میشود با سرعت بیشتری به بیرون پرتاب میکنند. سرعت خروج گازهای یونیده شده در این گونه موتورها گاهی تا بیش از 10 برابر موتورهای شیمیایی میباشد اما از آنجاییکه جرم گازهای خروجی بسیار کمتر از پیشرانههای شیمیایی است، پیشرانش (تراست) اینگونه موتورها خیلی کمتر از اسلاف شیمیایی آنها است.
موتورهای یونی انواع متنوعی دارد که بعضی از آنها ساخته شده و به کار گرفته شدهاند و پارهای دیگر در حد نظر و نقشه هستند. سادهترین موتور یونی پیشنهاد شده تا کنون، موتور الکترواستاتیکی است که ساختمان و طریقه عملکرد سادهتری نسبت به همتایان مدرن خود دارد. در یک پیشرانه یونی الکترواستاتیکی، گاز نسبتاً سنگینی (نیروی پیشران موتور به حاصلضرب دو عامل سرعت خروجی گازها و جرم آنها وابسته است) مانند آرگون با جرم اتمی 40 گرم بر مول یا بخار جیوه با جرم اتمی 200 گرم بر مول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار میگیرد. ابتدا اتمهای سوخت، در حالت طبیعی خود، از روزنه کوچکی وارد محفظه موتور میشوند و در آنجا توسط الکترونهای حاصل از یک تفنگ الکترونی (مانند آنچه در لامپ تصویر تلویزیونها وجود دارد) بمباران میشوند. برخورد الکترونهای سریع به اتمهای گاز باعث میشود که اتمها یک یا چند الکترون از دست داده و به شکل یون مثبت درآیند. الکترونهای آزاد شده خود در نقش بمبهای جدید عمل کرده و فرآیند یونسازی شتاب میگیرد. در دیواره محفظه موتور حلقههای مغناطیسی مخصوصی نصب شده تا با سرعت دادن به الکترونها، فرآیند بمباران را بهبود بخشند. الکترونها پس از برخورد با اتمها و از دست دادن انرژی خود، در نهایت توسط دیواره محفظه و یا شبکه توری با بار مثبت که در انتهای موتور قرار دارد، جذب میشوند و جای خود را به الکترونهای تازهنفس میدهند.
یونهای مثبت بر اثر خاصیت پخش اتمی، سرانجام از منافذ شبکه توری با بار مثبت عبور کرده و وارد میدان الکتریکی بسیار قوی بین دو شبکه مثبت و منفی میشوند. اختلاف پتانسیل بسیار شدید بین دو شبکه باردار مثبت و منفی باعث میشود که یونها به سمت توری محتوی بار منفی شتاب بگیرند. پتانسیل الکتریکی شبکه مثبت بسیار بیشتر از پتانسیل الکتریکی شبکه منفی انتخاب میشود. از این رو یونهای مثبت بیشتر از آنکه تحت تأثیر جاذبه شبکه منفی باشند، از دافعه شبکه مثبت پیروی مینمایند. این امر باعث میشود که تعداد بسیار زیادی از یونها قادر به فرار از منافذ شبکه منفی شوند. فرار بسیار سریع یونهای مثبت از انتهای موتور بر طبق قانون سوم نیوتن باعث تولید نیروی پیشرانی در جهت خلاف حرکت یونها میشود.
اگر یک موتور یونی به این شیوه به کار خود ادامه دهد، رفته رفته تجمع بار منفی در موتور افزایش یافته و سیستم حالت خنثی خود را از دست خواهد داد. از این رو در اینگونه موتورها یک تفنگ الکترونی اضافی در پشت موتور به گونهای نصب شده است که الکترونهای پرتاب شده با یونهای مثبت برخورد نموده و علاوه بر آنکه اتم را به حالت خنثی تبدیل میکنند، باعث تخلیه بار منفی تجمعی موتور نیز میشوند. چنانچه مجموعه موتور و یا سفینه فضایی حامل آن از نظر بار الکتریکی خنثی نباشد باعث ایجاد میدان الکتریکی مضاعف در پشت شبکه مثبت، جایی بین این شبکه و محفظه اصلی موتور خواهد شد. ایجاد چنین میدانی حرکت یونهای مثبت به سمت خروجی موتور را مختل کرده و سیستم کار نخواهد کرد.
سرعت گازهای خروجی از یک موتور نهچندان کارآمد یونی باز هم به مراتب از سرعت گازهای خروجی یک موتور شیمیایی بیشتر است. در موتورهای اولیه یونی این سرعت به حدود 30 کیلومتر بر ثانیه میرسید که امروزه تا حدود 200 کیلومتر بر ثانیه افزایش یافته است. در مقابل سرعت گازهای خروجی یک موتور شیمیایی بین 3 تا 5 کیلومتر بر ثانیه است. هرچند سرعت گازهای خروجی بسیار زیاد است اما از آنجاکه جرم مصرفی به عنوان سوخت خیلی اندک میباشد، نیروی پیشران چنین موتورهای بسیار کم است. اما در مقابل این گونه موتورها میتوانند مدت زمان زیادی تا حدود 2 سال مداوم کار کرده و اندک اندک سرعت سفینه را افزایش دهند. اغلب نیرویی که توسط چنین موتورهایی تولید میشود در حد وزن یک برگ کاغذ است. چنین نیروی پیشران اندکی میتواند یک سفینه فضایی را با توجه به جرم آن با شتابی در حد یک ده هزارم تا یک میلیونیوم شتاب جاذبه زمین به حرکت وادارد.
در سفرهای اکتشافی فضا و یا ماهوارههای زمینآهنگی که برای مدت طولانی به دور زمین میچرخند، استفاده از چنین موتورهایی توجیه دارد. مدت زمان طولانی چنین مأموریتهایی به طراحان اجازه میدهد که با استفاده از نیروی پیشران اندک این موتورها، تغیرات دلخواه سرعت را به دست آورند. مصرف انرژی الکتریکی این موتورها بین 2 تا 25 کیلووات بوده که تأمین چنین انرژی زیادی نیز خود مشکل تکنیکی دیگری است.
اکنون سفرهای فضایی انگشتشماری از موتورهای یونی به عنوان پیشران استفاده کردهاند که از آنجمله میتوان به دیپ اسپیس-1 که در 24 اکتبر 1998 توسط ناسا پرتاب شد، اسمارت-1 که در 27 سپتامبر 2003 به قصد گردش به دور ماه توسط اِسا به فضا فرستاده شد و کاوشگر فضایی هایابوسا که توسط آژانس فضایی ژاپن در 9 می 2003 به قصد کاوش خردهسیارک سیبزمینی شکل ایتوکاوا راهی بیکران فضا گردید، اشاره نمود.
برای نمونه مشخصات موتور یونی دیپاسپیس-1 به قرار زیر است:
قطر : 30 سانتیمتر
وزن : 8 کیلوگرم
ضربه ویژه : 3100 ثانیه
پیشرانش : 20 تا 92 میلینیوتن
سرعت خروج یونها : 30 کیلومتر بر ثانیه
وزن گاز زنون به عنوان سوخت : 5/81 کیلوگرم
مدت زمان کارکرد : 20 ماه
تغییر سرعت نهایی 5/4 کیلومتر بر ثانیه
در مورد کاوشگر هایابوسا که مأموریت ویژهای را انجام داد وضع به گونه دیگری بود. لزوم رسیدن به خرده سیارک ایتوکاوا با سرعتی معقول، قرارگیری در مدار مشابه هدف، تعقیب ایتوکاوا با سرعتی برابر سرعت مداری آن و دور و نزدیک شدن به سیارک با سرعتی بسیار آرام لزوم استفاده از چنین موتور قابل کنترلی را دو چندان کرده بود. هایابوسا برای طی بیش از دو میلیارد کیلومتر راه تا رسیدن به ایتوکاوا در مدت 25800 ساعت کار مداوم موتورهای یونی خود فقط 29 کیلوگرم زنون مصرف کرد و بهازای آن به اختلاف سرعتی معادل 1400 متر بر ثانیه دست یافت. نزدیک شدن به ایتوکاوا در مراحل نمونهبرداری با سرعت اندک 5 سانتیمتر بر ثانیه که به سیستم کنترل فرصت لازم برای تصحیحات ضروری را میداد از دیگر کاربریهای این موتورهای کم مصرف بود.
شهرام یزدانپناه، پژوهشگر علوم و فناوری فضایی
http://www.spacescience.ir/default.aspx?Category=300&SubCategory=310&Post=0000098
|