Wird eine Reihe von mehreren Ionenmotoren immer noch effizienter sein als ein einzelner chemischer Motor?

Während dies zunächst wie eine gute Idee erscheint, stößt man sehr schnell auf das Hauptproblem von Ionentriebwerken: ihren winzigen Schub.

Vergleichen wir ein typisches Ionentriebwerk der Dawn-Mission und eine Oberstufe, die üblicherweise für interplanetare Injektionen verwendet wird, die Centaur-Oberstufe mit ihrem Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerk RL10 .

Ionen-Engine

• Schub: 90 mN
• Masse: 8,2 kg

RL10 C-1

• Schubkraft: 102 kN
• Masse: 190 kg

Wir können sehen, dass der RL10 in der Größenordnung von 1 Million Mal mehr Schub für nur etwa 20 Mal mehr Masse erzeugt. Das bedeutet, dass wir etwa 8 Millionen kg Ionentriebwerke benötigen werden, um den gleichen Schub zu erzeugen – das entspricht etwa 2,5 vollgetankten Saturn Vs.

Es wird noch schlimmer, wenn wir die Tatsache bedenken, dass diese riesige Reihe von Triebwerken eine ähnlich enorme Menge an zusätzlicher Installation und struktureller Unterstützung erfordern wird, um zu funktionieren. Ganz zu schweigen von den Schwierigkeiten beim Versuch, eine Million Motoren auf die Montageplatte am Fuß der Bühne zu quetschen.

Dies wird jeden Vorteil, den wir durch die Verwendung eines Motors mit höherem Wirkungsgrad erzielen, eindeutig zunichte machen.

Natürlich wird es einen Break-Even-Point geben. Eine sehr schnelle Annäherung besagt, dass, wenn wir eine Centaur-Oberstufe modifizieren würden, um ihr Ionentriebwerke zu geben und die Tanks mit Xenon zu füllen (das würde offensichtlich nicht wirklich funktionieren), eine Anordnung von ~500 Ionentriebwerken 1000 kg ergeben würde Nutzlast ungefähr das gleiche Delta-V wie ein einzelnes RL10, wenn auch bei einem viel geringeren Schub.

Jeder nützliche Vorteil, der durch die Verwendung von Ionentriebwerken erzielt werden kann, wird also weit, weit weniger als diesen Break-Even-Punkt beinhalten, den wir bei bestehenden Raumfahrzeugen sehen. Zum Beispiel hat Hayabusa2 vier Ionenmotoren auf einer kardanischen Halterung, von denen drei gleichzeitig betrieben werden können.

Warum ist ein Ionenmotor effizienter als ein Chemiemotor? Die Abgasgeschwindigkeit ist viel höher.

Wenn das Energieproblem gelöst werden kann und jeder Ionenmotor des Bündels die gleiche hohe Abgasgeschwindigkeit hat, ist das Bündel immer noch effizienter als ein einzelner chemischer Motor.

Aber was ist mit dem Gewicht? Um mehr Leistung bereitzustellen, wird das Gewicht des Fahrzeugs sowie der zusätzlichen Ionenmotoren zunehmen. Um das erhöhte Gewicht zu kompensieren, ist mehr Ionenbrennstoff notwendig. Um mehr Kraftstoff zu speichern, wird ein größerer und schwererer Tank benötigt.

Wenn also über Jahre genug Zeit für langsames Beschleunigen mit einem einzelnen Ionenmotor bleibt, sind die Gesamtkosten niedriger als für das Bündel von Motoren, die in Monaten das gleiche Delta-V liefern. Sie benötigen eine größere erste und zweite chemische Stufe, um dieses Fahrzeug in die Umlaufbahn zu heben, wo die Ionentriebwerke übernehmen können.

Schub ist das falsche Maß für diesen Vergleich, ebenso wie Schub zu Gewicht. Was zählt, ist der spezifische Impuls$I_{\text{sp}}$, was ein Maß für die Fähigkeit ist, den Impuls pro Treibmitteleinheit zu ändern.

Der RL10C hat einen spezifischen Impuls von 450 s, während der Dawn-Motor über 3.000 liegt, mit anderen Worten, der Dawn-Motor kann über 6-mal mehr Arbeit pro Treibmitteleinheit leisten, obwohl sein geringerer Schub bedeutet, dass es länger dauert, dies zu tun, aber Wenn Sie nicht versuchen, einem Gravitationsbrunnen zu entkommen, besteht keine Eile. Eine Quelle des Unterschieds ist die Tatsache, dass ein chemischer Motor seine Energiequelle in der Masse seines Treibmittels durch Oxidation enthält, während bei einem Ionenmotor die Energie aus einem Spaltungsreaktor oder Sonnenkollektoren usw. stammt. Jetzt das Gewicht des Motors selbst beginnt einen großen Unterschied zu machen. Um Jacks Beispiel zu verwenden, würde der 200 kg schwere RL10C mit 799 kg Kraftstoff und 1 kg Nutzlast einen produzieren$\Delta v$von:

$\displaystyle \Delta v=v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{f}}}$

Woher

${\displaystyle v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}}$

$\displaystyle \Delta v=450 \times 9.8 \times \ln {\frac {(200+799+1)}{(200+1)}}$ $= 7075ms^{-1}$

Der 8,3-kg-Dawn-Motor und 2,5-kg-Treibstoff mit der gleichen Nutzlast würden Sie erreichen

$\displaystyle \Delta v=3000 \times 9.8\ln {\frac {(8.3+2.5+1)}{(8.3+1)}}$ $= 6999ms^{-1}$

Es wäre jedoch viel billiger, 11,8 kg auf LEO zu bringen, damit Sie eine Nutzlast von 1 kg auf 7.000 m / s beschleunigen können, und dann 1000 kg auf LEO zu bringen, um dieselbe Nutzlast auf dieselbe Geschwindigkeit zu beschleunigen.

Das Hinzufügen weiterer Triebwerke verändert den Spezifischen Impuls nicht, es erhöht nur den Kraftstofffluss (dh es erhöht den Schub), aber da Sie jetzt das Gewicht der zusätzlichen Triebwerke bewegen, verringert es Ihr Endergebnis$\Delta v$, wie Raketenwissenschaftler gerne sagen, kommt man schneller, aber nicht so schnell ans Ziel (man erreicht eine niedrigere Geschwindigkeit, aber man erreicht sie früher). Motoren, die einen Schub erzeugen, der ihre eigene Masse übersteigt, können kombiniert werden, um diesen überschüssigen Schub zu nutzen, um aus einem Schwerkraftschacht heraus zu beschleunigen. Ionenmotoren haben jedoch keinen überschüssigen Schub, sodass ihre Kombination nur begrenzte Vorteile hat.

Wenn Sie dies mit zwei chemischen Motoren tun, erhalten Sie:$\displaystyle \Delta v=450 \times 9.8 \times \ln {\frac {(200+200+799+1)}{(200+200+1)}}$ $= 4833ms^{-1}$

Zwei Ionenmotoren würden Ihnen Folgendes geben:

$\displaystyle \Delta v=3000 \times 9.8\ln {\frac {(8.3+8.3+2.5+1)}{(8.3+8.3+1)}}$ $= 3904ms^{-1}$