Ionentriebwerke sind in der Lage, die gleiche Menge an Delta-V für weitaus weniger Treibstoff bereitzustellen (z. B. beträgt der spezifische Impuls der zweiten Stufe von Falcon 9 v1.1 340 Sekunden, während einige Ionentriebwerke einen spezifischen Impuls von über 10000 Sekunden haben).
Ionentriebwerke haben eine ausgezeichnete Lebenserwartung. Der NEXT-Ionenantrieb der NASA war über 5,5 Jahre lang ununterbrochen in Betrieb, und danach zeigte der Motor kaum Anzeichen von Verschleiß. Raketenmotoren sind nicht so zuverlässig.
Ionentriebwerke wurden in zahlreichen Weltraummissionen getestet und haben sich sehr gut bewährt, darunter Dawn, Hayabusa 1 und 2, Smart 1, GOCE, Deep Space 1 und weitere sind in Vorbereitung. Dieses Konzept ist nicht besonders neu oder experimentell.
Im Allgemeinen sind Ionentriebwerke fantastisch.
Warum verwenden wir sie also nicht, um alles von LEO zu heben? Sie können etwa 30-mal weniger Treibstoff verbrauchen, und Treibstoff im Weltraum ist sehr teuer. Warum brauchen wir für die unbemannte Raumfahrt immer noch Raketen, die über LEO fliegen? Warum eine superkomplizierte wiederverwendbare Raketentechnologie entwickeln, die für einen harten Wiedereintritt geeignet ist, wenn wir Raumfahrzeuge haben können, die Jahrzehnte in einer stabilen Weltraumumgebung halten? Sie erwiesen sich als stark genug, um dem Luftwiderstand in einer sehr niedrigen Umlaufbahn (nur 255 km über der Erdoberfläche) standzuhalten. Was sind die Probleme?
Während der ISP auf Ionen-Triebwerken fantastisch ist, ist der Gesamtschub ziemlich niedrig.
Somit wäre die Transitzeit von LEO zu GEO ziemlich lang und langsam. In manchen Fällen kommt es darauf an. Wenn es ein zusätzliches Jahr dauert, um in Dienst zu treten, ist dies ein Jahr verlorener Dienste während des Transports.
Eine Kritik an der Fähigkeit des Falcon 9, Doppelstarts durchzuführen, ist, dass nur die kleineren Satelliten mit elektrischem Antrieb (Ion, wie Sie möchten) passen, und obwohl sie in der Nähe von GEO/GTO-Umlaufbahnen abgeworfen werden, benötigen sie dafür weitere 6 Monate beenden die Umlaufbahn mit ihren elektrischen Triebwerken.
Aber was ist mit Payloads, die nicht zeitkritisch sind? Nun, das andere Problem ist, dass Sie, während Sie Ihre Umlaufbahn langsam anheben, VIEL durch die Van-Allen-Gürtel gehen.
Einmal schnell durchzukommen, ist nicht schrecklich und überlebbar. Aber wiederholte Durchgänge über viele Monate erfordern zusätzliches Härten und Arbeit, damit es funktioniert.
Abgesehen davon hat Russland eine Art Schlepper im Einsatz. Die Module, die einige der ISS-Module geliefert haben, sind technisch gesehen Schlepper, die nie wiederverwendet wurden.
Für eine Weile schlugen sie dort (kann die http://www.russianspaceweb.com/-Referenz im Moment nicht auf Anhieb finden ) einen bemannten oder Frachtwerfer vor, der sich auf das Andocken an einen bereits im Orbit befindlichen Schlepper stützte, um zum endgültigen Ziel zu manövrieren. Das wäre ein traditionelles Antriebssystem gewesen, kein Ionen- / Elektroantrieb. Also weniger Missionen und eine kürzere Lebensdauer, aber sie haben es trotzdem ernsthaft in Betracht gezogen.
Ein Einweg-Ionenlaufwerk kann nicht größer gemacht werden, als es sein muss, und verbraucht daher nicht mehr Kraftstoff als nötig.
Ein wiederverwendbarer Ionenantriebsschlepper muss zunächst seine Nutzlast zum Zielort bringen und dann zurückkommen; Aufgrund des exponentiellen Anstiegs des Kraftstoffbedarfs bei linearen Erhöhungen von Delta-V kann dies mehr als doppelt so viel Kraftstoff sein wie bei einer Einwegmission.
Schließlich dauert es Monate oder Jahre, mit einem Ionenantrieb irgendwohin zu gelangen, was interessant ist; Ein Schlepper, der eine Jupiter-Mission durchführt, wird eine Reihe von Startfenstern für Mars-Missionen verpassen.
Das Schleppen würde erfordern, dass die Satelliten zum Andocken oder Anlegen gebaut werden, was Masse und Kosten hinzufügt. Und das am besten standardisiert, was am Anfang schwer zu etablieren ist. Die zusätzlichen Operationen erhöhen das Risiko. Die Verzögerung des Schleppens kann sehr hohe Opportunitätskosten haben, zum Beispiel, dass ein neuer Kommunikationsdienst verzögert wird, während Wettbewerber Marktanteile gewinnen, was gegen die eingesparten Startkosten abgewogen werden muss.
Und ich frage mich, ob es Nachteile gibt, wenn ein für GEO gebauter Satellit in LEO wartet. Wie das Kollisionsrisiko von Weltraumschrott, kurze Kommunikationsfenster zur Erde, längere und häufigere Perioden ohne Sonnenenergie und damit verbundene Temperaturschwankungen. Strahlungsprobleme beim langsamen Durchqueren der Van-Allen-Gürtel wurden bereits erwähnt.
Und es könnte Konkurrenz geben. Die Oberstufe für die Falcon 9 wird nicht wiederverwendet, da sie weich auf der Erde gelandet ist. Aber vielleicht könnte es oder eine andere Oberstufe umgestaltet werden, um (einmal) als Schlepper wiederverwendet zu werden, der mit dem Rest seines Treibstoffs in der Umlaufbahn der ursprünglich gestarteten Nutzlast gleitet. Wenn sich eine geeignete Gelegenheit ergibt, könnte es einen Satelliten von LEO nach GEO ziehen oder auf einem Satelliten in GEO die Position halten, bevor er sein Leben beendet. Ich sehe nicht ein, wie es rentabel wäre, einen Schlepper aufzutanken, anstatt einen neuen Schlepper zusammen mit diesem Kraftstoff zu starten. An gebrauchten Raketentriebwerken im Erdorbit scheint es keinen Mangel zu geben.
Hin und wieder erreicht eine wertvolle Nutzlast wie Fobos-Grunt nicht hoch genug die Umlaufbahn und ist dazu verdammt, bald in der Atmosphäre zu verglühen. Ein flexibler, einsatzbereiter Schlepper könnte dann einen sehr viel wertvolleren Dienst leisten, als nur Starttreibstoff zu sparen. Wenn es schnell und flexibel genug ist und in der Lage ist, sich mit fast jeder Fracht zu verbinden.
Der Ion Thruster ist immer noch ein sehr schubarmer Motor, der viele von ihnen benötigen würde, um als Schlepper eingesetzt zu werden. Das Schub-zu-Gewicht-Verhältnis eines Ionentriebwerks ist zu niedrig, um in LEO effektiv verwendet zu werden, daher wäre es zu energieaufwändig, den Ionen-Triebwerk anzutreiben. Selbst wenn ein bestimmtes Raumfahrzeug die Energiequellen zur Verfügung hätte, wäre der zur Nutzung der Energie erforderliche Wartungsaufwand so extrem, dass ein Raumfahrzeug möglicherweise ein oder zwei Besatzungsmitglieder benötigt, die täglich nur aus EVA bestehen, um die Energiequelle zu reparieren. (Dies ist für Solar) Wenn ein Raumschiff RTGs (Radioisotope Thermoelectric Generators) wie die von Voyager und Dawn verwendeten, wäre dies zu teuer und gefährlich für das Fahrzeug, da die intensive Strahlung die Elektronik beschädigen und der Besatzung den Tod bringen könnte Strahlungsdosen. Aus diesem Grund wird der Ionenstrahlruder nur auf leichten und unbemannten Sondenfahrzeugen eingesetzt.
Kraftstoff für einen Schlepper, der in LEO von 255 km bis 400 km fährt, ist extrem teuer.
Wenn der benötigte Kraftstoff für den Schlepper plus Nutzlast zum Heben von 255 auf 400 km und für den Schlepper nur zum Zurückfahren auf 255 km teurer ist als die Nutzlast selbst, ist der Einsatz des Schleppers nicht sinnvoll.
Wenn der Schlepper für mehrere Hübe betankt wird, wird viel Treibstoff verbraucht, nur um den Treibstoff für die nächste Mission nach oben und wieder nach unten zu bewegen. Ein Kilogramm Kraftstoff nach oben und unten zu bewegen, sollte viel weniger erfordern als ein weiteres Kilogramm.
Wiederverwendbare Weltraumschlepper kommen bald.
Bei der letzten SpaceX-Transporter- Mission im Juni 2021 waren eine Reihe von (verbrauchbaren) Weltraumschleppern an Bord, um mehrere Cubesats in präzisere Umlaufbahnen zu bringen:
Der Vigoride -Raumschlepper von Momentus, der sein wasserbasiertes Mikrowellen-Plasma-Triebwerk verwendet, sollte ebenfalls auf diesem Flug starten, verzögerte sich jedoch aufgrund von Bedenken der US-Nationalsicherheit, dass die Gründer Russen waren . Ein ziemlicher Skandal.
Eine Menge Startups und Unternehmen wollen jetzt Weltraumschlepper starten. Es ist der letzte Schrei.
Meine Vermutung ist, dass SpaceX ganz einfach einen Weltraumschlepper aufbauen könnte, wenn sie wollten, und die Konkurrenz mit billigeren Fahrten auslöschen könnte, genau wie sie es mit ihrem Rideshare-Programm getan haben. Wir werden sehen...
geoffc