Kolloidale oder Elektrospray-Triebwerke - irgendwelche Vorteile gegenüber Ionen-Triebwerken?

Ich habe außer diesem Wikipedia-Artikel und ein paar Fragen hier nicht viel über kolloidale oder Elektrospray-Triebwerke gesehen. Die Idee ist ähnlich wie bei Ionentriebwerken, da die Treibmittelmasse in kleine Stücke zerbrochen, ionisiert und elektrostatisch beschleunigt wird. Der Unterschied liegt in der Natur der kleinen Bits.

Ionentriebwerke können hohe Ionisationseffizienzen erreichen, die meisten austretenden Treibmittelatome werden erfolgreich ionisiert und beschleunigt.

Wenn ich es jedoch richtig verstehe, zerlegt ein kolloidales Triebwerk das Treibmittel nur in winzige Tröpfchen und ionisiert und beschleunigt diese. Die maximale Ladung, die Sie auf ein winziges Tröpfchen oder festes Teilchen legen können, ist nur ein kleiner Bruchteil der Anzahl der Elektronen, weil die Coulomb-Kraft so groß ist. Ich weiß es nicht genau, aber vielleicht ergibt oder nimmt man in der Größenordnung von einer Ladung pro tausend Atomen eine Zehnerpotenz, obwohl dies von der Größe und Beschaffenheit des Tröpfchens oder Partikels abhängt.

Hätten kolloidale Triebwerke bei einer so geringen Ionisationseffizienz einen Vorteil gegenüber Ionentriebwerken? Einfachheit vielleicht? Weniger Gewicht? Oder ist mein Verständnis der Technik mangelhaft? Vielleicht sind Elektrospray-Triebwerke und Kolloid-Triebwerke nicht dasselbe?

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Antworten (1)

Ein wesentlicher Vor- oder Nachteil, je nach Betrachtungsweise, ist der winzige Schub, viel geringer als bei klassischen Ionentriebwerken.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Elektrosprühverfahren ionisierte Tröpfchen aus Flüssigkeit erzeugt, ohne dass eine ziemlich komplexe elektromechanische Installation erforderlich ist, die zuerst Xenon aus einem Drucktank freisetzt und dann den Strom davon ionisiert. Dies ermöglicht sowohl eine Miniaturisierung (keine beweglichen Teile, reduzierte Anzahl von Teilen) als auch eine 100%ige Aufladung des Sprays (und eine ziemlich konstante Ladung) – es ist der Aufladungsprozess der Flüssigkeitsoberfläche, der die Trennung verursacht und die Oberflächenspannung überwindet , und die Trennungsschwelle ist ziemlich stabil (pro Treibmittel), und schnelle, feine Kontrolle über die Geschwindigkeit des Prozesses.

Und da der Stromverbrauch, ähnlich wie bei Ionentriebwerken, proportional zum spezifischen Impuls- und Massenstrom ist, ist er bei diesem winzigen Massenstrom recht moderat.

Das bedeutet, dass Elektrospray-Triebwerke anscheinend nicht in der Lage sind, ihre Leistung zu steigern, wie beispielsweise VASIMR, und dass sie auch nicht annähernd das gleiche Schubniveau ermöglichen, sie sind kompakt und ermöglichen eine sehr präzise (und verlustfreie) Steuerung von Schub (Sie schalten einfach die Elektroden aus, die den Elektrospray-Prozess verursachen, und die Tröpfchen trennen sich nicht mehr), sie belasten die Stromquelle des Fahrzeugs nicht sehr und stellen tatsächlich wunderbare RCS-Triebwerke von extremer Präzision her.

Daher sind Elektrospray-Triebwerke keine sehr gute Idee für den Hauptantrieb - sie könnten zur Not mit Nanosatelliten arbeiten (in Anbetracht der Lebensdauer des Fahrzeugs und der Missionsdauer sind sie eher unattraktiv). Sie sind DIE Option für die Positionshaltung von ultrapräzise ausgerichteten Konstellationen. eLISA, das Gravitationswellen-Observatorium mit 2,5 Millionen km Abstand zwischen den Satelliten, wird eine Positionierungsungenauigkeit der Satelliten von einigen Millimetern oder kleiner aufrechterhalten (der Rest der erforderlichen Genauigkeit wird durch mechanische Ausrichtung von Sensoren innerhalb des Raumfahrzeugs erreicht - mehr aus müssen den Elektrospray-RCS-Kraftstoff sparen als aus Notwendigkeit für eine bessere Ausrichtungspräzision unter Verwendung des RCS), aber andere vorgeschlagene Projekte beinhalten Teilchenbeschleuniger, die das Vakuum des Weltraums als Medium des "Korridors" verwenden, oder Teleskope mit extremer Brennweite, bei denen separate Linsen oder Spiegel sind auf separaten Satelliten montiert, die auf den Strahlengang ausgerichtet sind.

Kurz gesagt, sie sind eine völlig andere Art von Tier als typische Ionentriebwerke – sie sind die designierten ultrapräzisen RCS-Triebwerke, und der Versuch, ihre Leistung mit dedizierten Haupttriebwerken zu vergleichen, ist ein fehlgeleitetes Unterfangen, das sich auf völlig falsche Eigenschaften konzentriert.

Danke für die tolle Antwort! Bei gleichem maximalen Schub haben Ionen-Triebwerke wahrscheinlich eine ähnlich hervorragende Präzision, oder? Sie können Strom und/oder Beschleunigungsspannung (Energie) kontinuierlich variieren oder pulsieren. Liegt der Vorteil also nicht eigentlich nur im Gewicht? Wären Präzisions-Ionen-Triebwerke für kleinere Satelliten nicht einfach schwerer als Elektrospray-Triebwerke?
@uhoh: Bei Ionentriebwerken können Sie den Massenstrom jedoch nicht annähernd so genau variieren. Sie können die Menge an Ionisierung/Energie des Xenons schnell ändern, aber die Menge an injiziertem Xenon ist nicht so einfach/schnell zu kontrollieren. Dies ist verlustbehaftet - Sie variieren nicht den Massenstrom, sondern den spezifischen Impuls (reduzieren ihn unter das Optimum). Und ja, größentechnisch wären Sie schlechter dran. Vor allem, wenn man mindestens 12 Triebwerke für alle Freiheitsgrade bereitstellen möchte.
Lies nochmal meine Frage. Wenn Elektrospray-Motoren Tröpfchen verwenden, dann „kostet“ jede einzelne beschleunigte Ladung Hunderte oder Tausende von Atomen, verglichen mit einem Atom für ein Ionentriebwerk. Würden Sie nicht sagen, dass dies viel viel verlustbehafteter ist?
@uhoh: 1: Wie viel Prozent Xenon entweicht dem Motor unionisiert? 2: Der Elektrospray-Prozess ist genau der Effekt des "Überladens" der Flüssigkeit - die Tröpfchen teilen sich in kleinere auf, bis sie die Ladung halten können; Ich konnte die Tröpfchengröße nicht finden, aber der Fluss kann in der Größenordnung von 10 ^ 12 Partikeln pro Minute liegen, sodass die Tröpfchen wahrscheinlich näher an Dutzenden von Atomen liegen als an Hunderttausenden von ihnen.
Dies ist eine Antwort ohne unterstützende Quellen, Links oder Zahlen. Ohne harte Fakten können Diskussionen endlos weitergehen, also gehe ich diesen Weg nicht noch einmal. Ionentriebwerke erzeugen Plasmen durch elektromagnetisches Erhitzen, was Magnete und eine hohe HF-Leistung und daher Kühlung erfordert, sodass sie schwerer werden. Wenn Sie außer dem Gewicht keine weiteren Vorteile gegenüber Ionentriebwerken nachweisen können, sollten Sie diese wirklich nicht als Vorteile angeben .
@uhoh: Nach einigen Beispieldaten komme ich auf ~ 19 Coulomb pro Kilogramm Treibmittel. Volt für Volt, Gramm für Gramm, der spezifische Impuls unterscheidet sich nur durch die Ladung pro Einheit der Treibmittelmasse. Ich würde trotzdem sehen wollen, wie viel Ladung ein Kilogramm Xenon erhält, wenn es ionisiert wird, kann jedoch keine Quellen dafür finden.
OK, es ist spät hier, aber ich werde morgen weiter suchen. Wenn die Xenon+1-Ionisationseffizienz 100 % wäre, wäre sie ~735.000 Coulomb/kg, und eine ziemlich hohe Ionisationseffizienz nur für die erste Ionisation ist nicht etwas, das von modernen Ionenquellen schwer zu erreichen ist. Deshalb interessiert mich die Unterscheidung so sehr. ( 1000 ( g / k g ) × N EIN ) / ( 131.3 × C Ö u l ) .
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