Μέθοδοι Προώθησης ΔιαστημικώνΟχημάτων · “If we have learned...

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 11

ΜέθοδοιΜέθοδοι ΠροώθησηςΠροώθησηςΔιαστημικώνΔιαστημικών ΟχημάτωνΟχημάτων

Φράγκος ΔημήτρηςΦυσικός

[email protected]

We seldom stop to think that we are still creatures of the sea, able to leave it only because, from birth to death, we wear the water-filled space suits of our skins.

Arthur C. Clark

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 22

ΜέθοδοιΜέθοδοι ΠροώθησηςΠροώθησηςΔιαστημικώνΔιαστημικών ΟχημάτωνΟχημάτων

Αρχέςπροώθησης

Μέθοδοι σεχρήση

Μέθοδοι σεέρευνα -μελλοντικάσυστήματα

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 33

ΜέθοδοιΜέθοδοι ΠροώθησηςΠροώθησης ΔιαστημικώνΔιαστημικών ΟχημάτωνΟχημάτων--ΚίνητροΚίνητρο

ΠεριέργειαΟμορφιάΑπόδραση από ένα τόσομικρό κομμάτι του κόσμουΕιρήνη - ένωσηΑγαθά (υλικά, τεχνολογία)

1966: ΑΕΠ ΗΠΑ: 7% Άμυνα & 0.5% Διάστημα

Μετοικισμός του ανθρώπινου είδους με σκοπό τησυνέχειά του σε ενδεχόμενη καταστροφή του πλανήτημας από:

Περιβαλλοντολογικό πρόβλημαΔιαστολή και θάνατο του Ήλιου μας

Ψυχρός πόλεμοςΔιηπειρωτικοί πύραυλοιΓόητρο κρατώνΠόλεμος με ηλε-

κτρονικά μέσαΧρηματικές απολαβές

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 44

ΜέθοδοιΜέθοδοι ΠροώθησηςΠροώθησης ΔιαστημικώνΔιαστημικών ΟχημάτωνΟχημάτων--ΗΗ χαμηλήχαμηλή τροχιάτροχιά καικαι ηησπουδαιότητάσπουδαιότητά τηςτης

Επίσημο όριο τουδιαστήματος (100km)

Χαμηλή τροχιά(Low Earth Orbit - LEO)

Ταχ.: ~7.5 Km/sec(~25Mach ~ 26000Km/h)

Ύψος: 300-800 KmΠερίοδος: ~90min

ΔV

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 55

ΜέθοδοιΜέθοδοι ΠροώθησηςΠροώθησης ΔιαστημικώνΔιαστημικών ΟχημάτωνΟχημάτων-- ΤαξίδιΤαξίδι σεσε χαμηλήχαμηλή τροχιάτροχιά καικαι σεσεμακρύτερουςμακρύτερους προορισμούςπροορισμούς

V=0, h=0

Δh = 600km

ΔV=7.5Κm/sec Τοποθέτηση μάζας 1Kgσε Χαμηλή Τροχιά:Δυναμική ενέργεια:

6MJoule(6KW x 1000sec)(8.1hp x 1000sec)

Κινητική ενέργεια:28MJoule

(28KW x 1000sec)(38hp x 1000sec)

Ισοδύναμη ΔV = 9.5Km/sec

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 66

ΜέθοδοιΜέθοδοι ΠροώθησηςΠροώθησης ΔιαστημικώνΔιαστημικών ΟχημάτωνΟχημάτων-- ΤαξίδιΤαξίδι σεσε χαμηλήχαμηλή τροχιάτροχιά καικαι σεσεμακρύτερουςμακρύτερους προορισμούςπροορισμούς

LEO GEO LLO

9.3-9.8ΔV (Κm/sec)

13.4

3.9

13.5

MOON

15.4

13.2 (11.2)

Ener

gy (M

J/K

g)

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 77

Μέθοδοι προώθησης (αρχές λειτουργίας)Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζας

Αρχή λειτουργίαςΠροβλήματα

Μέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζα

Χημική ενέργεια (καύσης)

Χρήση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας

Χρήση πυρηνικής ενέργειας

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 88


Αρχή λειτουργίαςΠροβλήματα

Μέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζα

VeΔVFthr Fthr

Εξίσωση τωνπυραύλων:Η Εξίσωση τουTsiolkovsky

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 99


Αρχή λειτουργίας

ΠροβλήματαΜέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζα

Ve ↑ ⇒ ΔV ↑ - Ενέργεια ↑ ²

Χημικά καύσιμα:Πυκνότητα ενέργειας: ≈ 10ΜJ/KgVe ≈ 4.5 Km/sec

Ισχύς κινητήρα(Kg/sec)

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1010


Μέθοδοι που δεν εκτοξεύουνπροωθητική μάζα

Εκμετάλλευση βαρυτικής έλξης πλανητώνΗλιακά πανιάΗλεκτρομαγνητικό (σκοινί)Μαγνητικά (πανιά)Εκτόξευση ΡαδιοκυμάτωνΆλλα

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1111

Status Τεχνολογίας

Μέθοδοι εν χρήση

Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΧημική ενέργεια (καύσης)

Μηχανές πυραύλων (καύσιμη ύλη + οξειδωτικό)Χρήση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας

Μέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζαΕκμετάλλευση βαρυτικής έλξης πλανητών

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1212

Status ΤεχνολογίαςΜέθοδοι εν χρήση


Μηχανές πυραύλων (καύσιμη ύλη + οξειδωτικό)

~3200 °C

10-200 bar

~4500m/sec

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1313




25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1414




Πύραυλοι στερεών καυσίμων

Μεγάλη Προωθητική δύναμη (Fthr)Απλούστατο σύστημαΣυντηρούνται εύκολαΜεγάλο κλάσμα μάζας

Δύσκολος έλεγχος ρυθμού καύσηςΤοξικά & εκρηκτικά υλικά

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1515




Πύραυλοι υβριδικής μορφής

Απλό σύστημαΥλικά μη τοξικάΕύκολος έλεγχος ρυθμού καύσηςΜικρό κόστος καυσίμου

Ο2

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1616




Πύραυλοι ενός υγρού (Monopropellant)

Υπέρ-απλό σύστημαΕύκολος έλεγχος ρυθμού καύσηςΕύκολη κατασκευή μικρούμεγέθους κινητήρων για μανούβρες

Υλικά άκρως τοξικάΜικρό ΔV

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1717




Πύραυλοι δύο υγρών (Bipropellant)

Πολύ μεγάλη απόδοσηΕύκολος έλεγχος ρυθμούκαύσης

Μηχανικά πολύπλοκοσύστημαΚαύσιμα υπό πίεση και σεκρυογονικές θερμοκρασίες

Η2 + Ο2Κηροζίνη + Ο2Αιθανόλη + O2....

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1818

4.5Km/sec

1xVe 2xVe 3xVe 4xVe

4.5Km/sec

9Km/sec

13.5Km/sec

18Km/sec

5xVe

22.5Km/sec

0.1=

0.16




25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 1919




SATURN V

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2020




25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2121




SATURN V

Ύψος: 110m∅=10mmαρχ = 3,038,500 kgΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε χαμηλή τροχιά: 118tnΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε σεληνιακή τροχιά: 47tn13 αποστολές χωρίς απώλεια ωφέλιμου φορτίου

Η μεγαλύτερη μηχανή που κατασκευάσθηκε ποτέΣε απόσυρση λόγω υψηλού κόστους προσωπικού?

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2222




SATURN V 1º Στάδιο

2000tn καύσιμα (Κηροζίνη + Ο2)Διαστάσεις: h=40m, ∅=10m5 Μηχανές F-1, οι 4 κινούμενες3400tn Δύναμη17.000.000 hpΑνύψωση στα 61Km / 8.5Machσε 2.5min

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2323




SATURN V 2º Στάδιο

1330 m³ καύσιμα (Η2 + Ο2)Διαστάσεις: h=40m, ∅=10m5 Μηχανές Rocketdyne J-2500tn ΔύναμηΤοποθέτηση σε χαμηλή τροχιάσε 6min χρόνο λειτουργίας

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2424




SATURN V 3º και 4º Στάδιο

340 m³ καύσιμα (Η2 + Ο2)1 Μηχανή Rocketdyne J-2100tn ΔύναμηΤοποθέτηση σε σεληνιακήτροχιά από χαμηλή τροχιά6min χρόνος λειτουργίας

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2525




SOYUZ

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2626




SOYOUZ

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2727




SOYUZ

Ύψος: 42m∅=3m (10m)mαρχ = 308,000 kgΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε χαμηλή τροχιά: 8tnΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε γεωστατική τροχιά: 1.3tn

Η μεγαλύτερη αξιοπιστία διαστημικού εκτοξευτή - 1700 πτήσεις

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2828




SOYOUZ

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 2929




SOYUZ - 1º Στάδιο (4 πύραυλοι)

160tn καύσιμα (Κηροζίνη + Ο2)330tn Συνολική δύναμηΑνύψωση στα 70Km σε 2min

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3030




PROTON

Ύψος: 44m χωρίς φορτίο∅=7.4mmαρχ = 680,000 kgΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε χαμηλήτροχιά: 22tnΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σεγεωστατική τροχιά: 6tn

Η μεγαλύτερη αξιοπιστία μεγάλουδιαστημικού εκτοξευτή - 300 πτήσεις, 96% επιτυχία

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3131



Μηχανές πυραύλων (καύσιμη ύλη + οξειδωτικό)Διαστημικό Λεωφορείο

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3232




Διαστημικό Λεωφορείο

Ύψος: 58.12 m∅=8,7m (Εξ. Δεξαμενή)mαρχ = 2090,000 kgΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε χαμηλήτροχιά: 24tnΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σεγεωστατική τροχιά: 3.8tn

Η πιο ευέλικτη μέθοδος μεταφοράς φορτίου+ πληρώματος - 120 πτήσεις, 2 αποτυχίες

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3333




Διαστημικό Λεωφορείο SRBs

mαρχ = 2x590tn - mτελ = 2x87tnΔύναμη: 2x1200tn - Ο δυνατότερος υπάρχωνκινητήραςΠαρέχουν το 83% της προωθ. ΔύναμηςΛειτουργία μέχρι ύψος 45Km

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3434




Διαστημικό Λεωφορείο SSMEs

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3535




Διαστημικό Λεωφορείο SSMEs

Κάυσιμα (Η2 + Ο2)99% απόδοση καύσης1.3m³/sec κατανάλωση καυσίμουΔύναμη 167tn έκαστηΧρήση τεχνολογίας ελέγχου με υπολογιστήΕξαιρετικά πολύπλοκη - 120 αξιόπιστεςπτήσεις

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3636




ARIANE 5

Ύψος: 59m∅=5.4mmαρχ = 777,000 kg2 ΣτάδιαΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σε χαμηλήτροχιά: 21tnΩφέλιμο φορτίο μεταφερόμενο σεγεωστατική τροχιά: 10.5tn !!

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3737




25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3838




25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 3939




25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4040




ΚΟΣΤΟΣ

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4141


Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΧημική ενέργεια (καύσης)Χρήση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας

Κινητήρας Ιόντων

Ve > 30 Km/sec

P < 10KW2-10gr !!

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4242



Κινητήρας ΙόντωνColloid thrustersElectrostatic ion thrustersField Emission Electric PropulsionHall effect thrustersHelicon Double Layer ThrustersElectrodeless plasma thrustersPulsed inductive thrustersMagnetoplasmadynamic thrustersVariable specific impulse magnetoplasma rockets

DEEP SPACE 1 - SMART 1 - HAYABUSHA…..

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4343



Κινητήρας Ιόντων - SMART I

367 Kg

80Kg Xenon

29Kg

1200 Wpeak / 60% απόδοσηVe ≈ 15Km/secFthr = 6.8gr ⇒ <0.00002g80Kg Xenon ⇒ 208d & 4.5Km/sec ΔV110 εκ. € αποστολήστη Σελήνη + ανάπτυξη

Hall effect thruster

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4444



Μέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζαΕκμετάλλευση βαρυτικής έλξης πλανητών

(Voyager II ⇒ 16.5 Km/sec)

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4545

Status Τεχνολογίας

Μέθοδοι σε φάση έρευναςΜέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΜέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζα

Κάθε επιστημονική ιδέα περνάει από 3 στάδια:Αυτό είναι αδύνατο και αποτελεί ανοησίαΠρέπει να το μελετήσουμε αλλά είναι σχεδόν αδύνατοΉταν δική μου ιδέα... Εγώ το έλεγα από την αρχή

Arthur C. Clark

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4646

Status ΤεχνολογίαςΜέθοδοι σε φάση έρευνας


Μηχανές χρήσης ατμοσφαιρικού αέρα

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4747




RAMJET

Ελάχιστη ταχύτητα: ≈1MachΜέγιστη: ≈ 5Mach

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4848




SCRAMJET (supersonic combustion ramjet)

Ελάχιστη ταχύτητα: ≈ 6 MachΜέγιστη: ≈ 20+ MachΧρειάζεται προώθηση απόάλλη μέθοδο μέχρι τα 5-8 MachΔεν έχει αποδείξει επιτυχήπτήση υπερ-υπερυχητικούοχήματος εως αυτή τη στιγμή

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 4949




X-43 - SCRAMJET

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5050




SABRE (Synergic Air Breathing Engine)

Skylon

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5151



Ion thrusterElectrostatic ion thrusterField Emission Electric PropulsionHelicon Double Layer ThrusterElectrodeless plasma thrusterPulsed inductive thrusterMagnetoplasmadynamic thrusterVariable specific impulse magnetoplasma rocketMass drivers (for propulsion)

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5252



Magnetoplasmadynamic (MPD) thruster

Χρήση Δύναμης LorenzVe ~ 110Κm/secFthr ~ 200N (20KgF)

P~MWs

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5353


Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΧημική ενέργεια (καύσης)Χρήση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειαςΧρήση πυρηνικής ενέργειας

ORION

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5454


Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΧημική ενέργεια (καύσης)Χρήση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειαςΧρήση πυρηνικής ενέργειας

ORION

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5555


Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΜέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζαΗλεκτρομαγνητικό (σκοινί)

Tether propulsion

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5656


Μέθοδοι εκτόξευσης προωθητικής μάζαςΜέθοδοι που δεν εκτοξεύουν προωθητική μάζα

Ηλεκτρομαγνητικό (σκοινί)Ηλιακά πανιά

ΗΛΙΑΚΑ ΠΑΝΙΑ

25 / 04 / 2007 ΩΡΙΩΝ 5757

Αναφορές

www.en.wikipedia.orgwww.nasa.govwww.esa.intwww.futron.comwww.space.com

“If we have learned one thing from the history of invention and discovery, it is that, in the long run - and often in the short one - the most daring prophecies seem laughably conservative.”

A. Clark

Μέθοδοι Προώθησης ΔιαστημικώνΟχημάτων · “If we have learned...

Documents

Transcript of Μέθοδοι Προώθησης ΔιαστημικώνΟχημάτων · “If we have learned...