Wo sollten Ionenantriebe auf einer rotierenden Raumstation der Art mit schiefen Hanteln platziert werden?

Ich habe auf der Grundlage dieses Papiers an einem Modell einer vorgeschlagenen künstlichen Schwerkraftanlage von Joe Carroll gearbeitet . Es ist ein erstes Konzeptpapier und es erklärt nicht alles, also versuche ich herauszufinden, wie ich mit einigen Dingen umgehen soll.

Es berechnet, dass die meisten Reboost-Bedürfnisse der Station mit mittelgroßen Ionenantrieben erreicht werden könnten. Also habe ich zwei solcher Antriebe so auf der Station platziert, dass sie während ihrer gesamten Umlaufbahn rückläufig bleiben können, während sich die gesamte Station auf einer Ebene dreht, die koplanar zu ihrer Umlaufebene ist.

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Oben zeigt der rosafarbene Kreis die Rotationsebene, der grüne die Orbitalebene und die roten Punkte sind die Ionenantriebe auf Auslegern, die sich um das Modul im Massenzentrum der Station drehen.

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Dies gibt eine klarere Aufnahme der Ausleger, mit Blick auf den Schacht, der alle Module miteinander verbindet.

Dies ist eindeutig ein work in progress. Was ich hier klären möchte, ist, wie diese Booms sein sollten. Sie müssen sich auf einer Schiene um das mittlere Modul drehen, um retrograd ausgerichtet zu bleiben, während der Rest rotiert. Die Antriebe müssen lange Zeit zünden, was bedeutet, dass ein dünner Sprühregen aus heißem Xenon über die Verbindungswelle und die äußeren Module schwebt, wenn sie durch die Abgasfahne der Ionenantriebe strömen.

Wäre das eine Gefahr, über Monate oder Jahre? Müssten die Ionenantriebe in Impulsen feuern, um dieses Problem zu vermeiden, und nur feuern, wenn die Module frei sind?

Es gibt andere Reboost-Probleme im Zusammenhang mit plötzlichen Notwendigkeiten für große Reboosts aufgrund von Ausfällen oder dem erhöhten Luftwiderstand durch Sonnenstürme. Im Moment möchte ich nur dieses Problem behandeln.

Gee, es muss schön sein, coole Sachen zeichnen zu können! Ich benutze immer noch PowerPoint!
@uhoh Es gleicht etwas aus, dass man nicht in der Lage ist, ausgefallene Mathematik oder Code zu machen :)
Achten Sie darauf, die Steifigkeit der Ausleger der Ionen-Triebwerke zu überprüfen, insbesondere die Verbindung zwischen Ausleger und Schiene. Wenn sich diese Ausleger hin und her biegen können ("wackeln"), könnten sie auf das Spin-Instabilitätsproblem stoßen, das das Raumschiff Ulysses mit seinen flexiblen Auslegern (eigentlich Dipol-Funkantennensegmente) hatte, die entlang seiner Drehachse ausgerichtet waren.
Ich nehme an, dass es keine Option ist, die Station so auszurichten, dass sie sich in der Backbord- / Steuerbord-Zenit- / Nadir-Ebene dreht, und den Reboost-Motor so zu fixieren, dass er entlang der Rollachse nach hinten zeigt?
@RussellBorogove Nun, das Papier gibt diese Ausrichtung an. Auf diese Weise können Solarmodule ganz einfach sein, sie werden einfach an die Module gehängt und drehen sich nur um eine einzige Achse. Aber ich wundere mich über die Möglichkeit, die Station aggressiver zu verstärken, was in der von Ihnen erwähnten Konfiguration einfacher wäre.
Beim Versuch, es mir vorzustellen, scheint es, als würden die Sonnenkollektoren in die andere Richtung ungefähr gleich abschneiden, also habe ich diesen Teil davon möglicherweise nicht gut interpretiert. Ich hatte das eine Zeit lang so und habe es geändert. Eine Sache ist, dass Sie die Triebwerke nur in bestimmten Abschnitten der Umlaufbahn zünden könnten, in denen sie richtig ausgerichtet sind. Ich weiß nicht, ob es machbar oder wert ist, dieses Ding zu präzedieren.
Ich bezweifle, ob sich die Präzession lohnen würde. Sie müssten den Drehimpulsvektor der Station um 180 ° drehen und dann einmal pro Umlauf bis zur ursprünglichen Ausrichtung fortsetzen. Für mich klingt das nach viel Treibmittel oder riesigen, leistungshungrigen Drehstäben.
@TomSpilker Ja, der Spin lässt es in der gleichen Ausrichtung bleiben - daran hatte ich nicht einmal gedacht, als ich es zuvor erwähnte. Es ist nicht wie eine Präzession zur ISS.
Oh - es gibt noch einen weiteren Grund, es so zu drehen. Der Plan ist, seinen Spin zu nutzen, um an die äußeren Module angedockte Schiffe freizusetzen, sodass sie nach hinten geschleudert werden und genügend prograde Geschwindigkeit verlieren, um sich auf einer Flugbahn von der Umlaufbahn zu befinden. Das spart Treibstoff und bringt die Station in eine höhere Umlaufbahn.
Wie docken Fahrzeuge an die Außenmodule an? Depinst du die Station?
@TomSpilker Er schlägt etwas vor, das er „Trapezerfassung“ nennt. Das ankommende Schiff muss mit einem Greifgerät am Ende eines Kabels zusammentreffen und dann mit einer Winde zu einem Liegeplatz am Modul am Ende dieses Arms hochgezogen werden. Wenn das Schiff während der Annäherung genau ausgerichtet ist, ist dies seiner Meinung nach machbar und ein lohnendes Ziel, denn wenn die Technik ausgereift ist und rotierende Stationen mit größerem Durchmesser gebaut werden, könnte der gleiche Ansatz verwendet werden, um Schiffe zu greifen, die mit viel weniger als Umlaufgeschwindigkeit fahren. und um Schiffen, die vom Ende eines Arms weg vom Planeten geschleudert werden, viel mehr Geschwindigkeit zu verleihen.
Es gibt Hinweise darauf, die in dem in der Frage verlinkten Papier verstreut sind, vielleicht am interessantesten auf Seite 17 im Abschnitt „Operationelle Derivate“.
Ah ich sehe. Danke Kim. Dies scheint ein Konzept zu sein, das sich mit der Zeit von einer Raumstation zu einer Kombination aus Raumstation und Himmelshaken verwandelt.
Ja - modeln lohnt sich :)

Antworten (1)

In dieser Antwort auf Welches Antriebssystem würde die Oberfläche bei der Landung auf einem unberührten Himmelskörper nicht verschmutzen? Ich schätzte, dass die Winkelausbreitung eines Ionenstrahls von einem Ionentriebwerk basierend auf der Plasmatemperatur 1° oder weniger betragen könnte. Ein kleiner Bruchteil der Ionen, die am nächsten an irgendwelchen Beschleunigungsgitterdrähten vorbeilaufen, könnte weiter abgelenkt werden, wäre aber ein kleiner Teil des Gesamtstroms.

Der Kosinusverlust durch das Abwinkeln der Triebwerke selbst bei 15 ° von der gewünschten retrograden Richtung entfernt (auf und ab, außerhalb der Ebene) beträgt weniger als 4 % und bei 30 ° weniger als 14 %, sodass Sie damit einverstanden sein könnten .

Einige Ionentriebwerke (z. B. Hall-Effekt-Triebwerke ) haben möglicherweise keine Gitter, sodass die Ausbreitung des Ionenstrahls viel breiter sein kann. Wenn es in einem großen Winkel einen "Halo" gäbe, müssten Sie ihn stark kippen, um den Strom in der Ebene zu minimieren. In diesem Fall können Sie ein positives Hochspannungsgitter hinzufügen, um die Kante des Lichthofs von der Rotationsebene weg abzulenken.

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Sie könnten auch das erwähnte Pulsieren in Betracht ziehen. Da der Strahl ziemlich schmal sein sollte, müsste er nur einen kleinen Bruchteil der Zeit ausgeschaltet sein, damit der durchschnittliche Schub keinen großen Treffer erzielt. Wenn es ein Verlust von 20 % ist (aus für 36 ° zweimal in jeder 360 ° Drehung), können Sie die Motoren einfach um 20 % stärker machen.

Das Abschalten und erneute Zünden des Plasmas beispielsweise einmal pro Minute kann jedoch etwas stressig sein, da dies zu einer gewissen Temperaturwechselbeanspruchung der Motorkomponenten führt. Vielleicht können Sie bei einigen Arten von Gittermotoren die Beschleunigungsspannung einfach erheblich senken oder einen anderen elektrostatischen Deflektor verwenden, aber wenn dies fehlschlägt, haben Sie ein Problem. Ich denke, es wäre besser, zunächst nur sicherzustellen, dass die meisten Ionen nicht zu nahe an den Komponenten des Raumfahrzeugs vorbeikommen, und den Kosinusverlust zu berücksichtigen.

Probleme durch Ionenstrahlen, die auf Gegenstände treffen

Angenommen, Sie verwenden die billigeren und reichlicheren Argon- oder Krypton-Ionen (im Vergleich zu Xenon) und Sie haben eine starke Beschleunigungsspannung von 100 kV, dann werden sie empfindliche Komponenten ziemlich beschädigen. Bei dieser Energie sputtern sie Atome von Oberflächen, auf die sie treffen, und implantieren sie unter der Oberfläche, was mehr Schaden anrichtet. Ich glaube nicht, dass die Gesamtdosis durch einen Rumpf fressen wird, aber sie könnte ein Fenster oder eine Kameralinse oder ein Solarpanel verrückt machen. Alles, was Transparenz erfordert oder eine wichtige Dünnfilmbeschichtung hat, ist gefährdet.

Das Aufladen (und katastrophale Entladen) von allem, was nicht gut geerdet ist, ist ebenfalls ein Problem, dessen man sich bewusst sein muss, aber alles, was für den Weltraum zugelassen ist, wird bereits in der Lage sein, einen gewissen Ionenfluss im Weltraum zu bewältigen. Es ist die hohe Energie dieses Ionenstrahls, die ihn von der normalen Weltraumumgebung unterscheidet, und seine Fähigkeit, sich selbst zu erodieren und zu implantieren, ist anders.

Das scheint alles zu sein, was ich brauche, eine nette Analyse. Ich warte noch ein bisschen, bevor ich akzeptiere, nur für den Fall.
Wie lange würde Ihrer Meinung nach ein Ionenstrahl brauchen, um sich durch einen Zoll Aluminium zu fressen, wenn er in einem Vakuum mit voller Kraft direkt darauf geschossen würde? (Hauptstadion)
@MagicOctopusUrn ein Coulomb ist 6E+18, aber ein Maulwurf ist 6E+22. Unter der Annahme einer Sputterausbeute von 1 Atom pro Atom und ohne Berechnungen können wir abschätzen, dass Sie bei 1 Ampere pro cm^2 einen Tag brauchen würden. Aber der Fluss eines Ionenmotors wäre selbst am Ausgang viel geringer und in Dutzenden von Metern Entfernung sogar noch geringer. Ich würde sagen, mach dir keine Sorgen.
Legen Sie also nicht Ihren Arm davor, es sei denn, Sie sind ein Roboter in mehr als 10 Metern Entfernung. Habe es ;). Gute grobe Visualisierung, wie mächtig sie sind.
Tippfehler; ein Maulwurf ist 6E+23, nicht 6E+22. Ein Tag hat 10^5 Sekunden, und das sind 10^23/10^18. Das Korrigieren des Tippfehlers ändert also nichts an meiner Schätzung.
Wo sollten Ionenantriebe auf einer rotierenden Raumstation der Art mit schiefen Hanteln platziert werden?
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