Mit welcher Höchstgeschwindigkeit kann ein Ionentriebwerk ein Raumschiff antreiben?

Ich habe gelesen, dass es mit unserer aktuellen Ionenantriebstechnologie möglich ist, dass wir ein Fahrzeug mit maximal 100 km pro Sekunde oder etwa 62 Meilen bewegen können. Wir scheinen jedoch dadurch eingeschränkt zu sein, wie stark ein Stromgenerator ist, den wir an Bord des Raumfahrzeugs bringen können. Ist es möglich, dass wir mit genügend Strom ein Raumschiff über diese 100 km/s-Grenze hinaus beschleunigen könnten? Was ist die maximale Geschwindigkeit, mit der wir ein Fahrzeug mit unserer aktuellen Ionentriebwerkstechnologie in den Weltraum schicken könnten?

(0,999999...)c.
@Erik Nicht ohne Fantasy-Engineering.
Aber es ist mit der aktuellen Technologie möglich.
@Erik Es ist wirklich nicht - siehe meine Antwort.
Es war also nur ein Kommentar, keine ernsthafte Antwort. Allerdings hat das OP die Antwort nie auf einen einstufigen Start beschränkt und auch nicht gesagt, wie groß das Raumschiff ist. Ihr Motorlebensdauerpunkt ist jedoch gut, aber am Ende ist es nur mehr Trockenmasse bei einem sehr großen Fahrzeug.
Außerdem berücksichtigt die T.-Gleichung relativistische Effekte nicht - was es noch schwieriger macht.
Ihnen geht das Xenon auf dem Planeten aus, lange bevor Sie sich über relativistische Geschwindigkeiten Sorgen machen müssen.
Warum sind Xenon auf dem Planeten beschränkt?
Lassen Sie mich fragen, wenn wir eine Sonde in die Nähe des Kuipergürtels schicken, dann die Umlaufgeschwindigkeit von etwa 4,7 km/s verlieren und sie wie einen Stein in die Sonne fallen lassen, wie wird ihre Geschwindigkeit sein, bevor sie verbrannt wird?
...100 km/s ist die Fluchtgeschwindigkeit des Sonnensystems aus einer Höhe von 38 Sonnenradien über der Sonne. Sonden können das definitiv überleben. Also ja, werfen Sie die Sonde in den Kuipergürtel, halten Sie die Umlaufgeschwindigkeit an, geben Sie der Sonne einen kleinen Tritt (sonst dauert der Anfang ewig) und lassen Sie sie den Sprung wagen. Sie werden ~ 600 km / s erreichen, bevor es auf die Oberfläche trifft.

Antworten (2)

Die Grenze liegt nicht an der Leistung, sondern an der Motorlebensdauer und den Kraftstoffgrenzen.

Ionentriebwerke erzeugen nur sehr wenig Schub, sodass sie, um Geschwindigkeiten von 100 km/s zu erreichen, über Monate oder Jahre kontinuierlich beschleunigen müssen. Das Raumschiff Dawn zum Beispiel wurde mit drei redundanten Ionentriebwerken gebaut , um seine Lebensdauer zu verlängern, und erreichte nicht annähernd 100 km/s; Es trug genug Treibstoff, um seine Geschwindigkeit um etwa 10 km/s zu ändern, und benötigte 15000 Stunden (~ 1,7 Jahre) kontinuierlichen Schub, um seine Geschwindigkeit um 4,3 km/s zu ändern .

Um mit einem Ionentriebwerk wie dem von Dawn (mit einem spezifischen Impuls von 3100 s (Ausstoßgeschwindigkeit von 30400 m/s)) ein ∆v von 100 km/s zu erreichen, wenden wir uns der Tsiolkovsky-Raketengleichung zu :

Δ v = v e ln ⁡ m 0 m f

Wo v e ist die Raketenabgasgeschwindigkeit und m 0 und m f sind die Masse des mit Treibstoff gefüllten bzw. leeren Fahrzeugs.

100000 = 30400 ln ⁡ m 0 m f ⇒ 3.29 = ln ⁡ m 0 m f ⇒ m 0 m f = e 3.29 = 26.8

Ein Ionenstrahlruder-Raumschiff, das 100 km/s erreichen will, muss also das 26-fache seiner Trockenmasse an Xenon-Treibmittel mitführen. Dies ist ein extrem hohes Massenverhältnis, das in einem einstufigen Raumfahrzeug im Allgemeinen nicht erreichbar ist. Ein zwei- oder dreistufiges Raumfahrzeug könnte dies mit vernünftigen Massenverhältnissen tun.

Ionenmotoren sind bereits sehr leistungshungrig und müssen mit viel Masse in Solarmodulen oder RTGs gepaart werden . Stärkere Triebwerke könnten die Abgasgeschwindigkeit um einen kleinen Betrag erhöhen und das Massenverhältnis verringern, jedoch auf Kosten einer starken Erhöhung der Trockenmasse mit der größeren Stromversorgung.

Beachten Sie, dass ich mich in dieser Antwort auf eine Änderung der Geschwindigkeit oder ∆v beziehe und nicht auf eine maximale Geschwindigkeit. Das liegt daran, dass die Geschwindigkeit von Objekten im Weltraum relativ zu einem bestimmten Referenzpunkt beschrieben werden muss und Geschwindigkeitsbegrenzungen nicht so funktionieren, wie sie es für erdgebundene Fahrzeuge tun.

Es ist ein bisschen ein Nitpick, aber sollte das nicht sein ⇒ ( \Rightarrow) eher als → ( \rightarrow)? Als ich das zum ersten Mal las, las ich → wie → (der „goes to“-Operator; in LaTeX, \to).
@MichaelKjörling Danke - für mich sah es falsch aus, aber ich war mir nicht sicher, ob es eine formelle Konvention gab. \rightarrowwar das erste, was ich versuchte, das einigermaßen nützlich aussah.
Ich weiß nicht, ob es formal richtig ist, aber es ist das, was ich in der Schule gelernt habe.

Sie haben es richtig, aber Sie betrachten einen sehr engen Bereich von ISP.

  • Die BepiColombo-Mission zum Quecksilber verwendet ein Ionentriebwerk mit einem ISP von 4.200 Sekunden (41.202 M/s). Die gleiche Formel ergibt ein Massenverhältnis von 11,325.

  • Das NEXIS-Ionentriebwerk kann 8000 Sekunden (78.200 m/s) erreichen

  • Das innovative europäische DS4G-Triebwerk schafft 19.300 Sekunden (188.200 m / s) und überschreitet die 100 km / s aus der obigen Frage.

  • Lithiumgespeiste GIT (Gridded Ion Thrusters) haben 50.000 - 80.000 Sekunden ISP (490 km/s bis 780 km/s) demonstriert.

Das Problem ist nicht so sehr das Massenverhältnis, sondern die an das Triebwerk und die Elektrodenerosion angelegte Leistung. Das DS4G ist das erste Triebwerk mit konzentrierter Leistung in einer kleinen Form, was ein Kernreaktor benötigt, der 100 KW oder vielleicht MW Leistung liefert.

Mit Megawatt Leistung ist es möglich, Ionentriebwerke mit mehr als 100.000 Sekunden ISP (über 1.000 km/s) zu haben.

Mit welcher Höchstgeschwindigkeit kann ein Ionentriebwerk ein Raumschiff antreiben?
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