مقاله موتور پلاسما براي فضاپيما
مقدمه پس از گذشت تقريبا نيم سده از پرتاب نخستين موشك به فضا ، فناوريهاي بكار رفته در ساخت موتورهاي موشك ، دست خوش دگرگونيهايي گشته است. موتورهاي سوخت مايع و سوخت جامد از اين جمله هستند. در حال حاضر جديدترين فناوري بكار رفته در ساخت موتور موشك ، موتور يوني است كه از حالت چهارم ماده ، يعني پلاسما بهره مي‌برد. جالب است بدانيد كه ايده پيشرانش الكتريكي از همان ابتدا توسط وارنرفن براون در دهه 1930 شكل گرفت؛ ولي او كارش را با سامانه‌هاي پيشران شيميايي آغاز كرد. موشكهاي مرسوم همان موشكهايي هستند كه وقتي به صحنه پرتاب شاتل فضايي يا مأموريت آپولو فكر مي‌كنيد در ذهنتان نقش مي‌بندد. دود شعله بسيار بسيار عظيمي از گازها بر مي‌خيزد. موشكهاي مرسوم مقادير بسيار عظيمي نيروي پرتاب توليد مي‌كنند تا اجسام را در فضا قرار دهند و مانند هواپيماي جت ، آتش بازي و يا بادكنك رها شده ، از پديده‌اي موسوم به پيشرانش استفاده مي‌كنند. در اصل موشك به دليل خروج مواد با فشار زياد همچون گازهاي داغ از عقب آن ، به سمت جلو حركت مي‌كند. گازها از سوختن در مجاورت اكسيژن يا ماده ديگري به نام اكسيد كننده شكل مي‌گيرند. يون ، يك اتم يا مولكول باردار است. علت باردار بودن ، آن است كه تعداد الكترونها در اتم يا مولكول با تعداد پروتونها برابر نيست. پيشران چيست؟ اساس كار موشكها قانون سوم نيوتن است: هر كنشي ، واكنشي برابر و در جهت مخالف دارد. براي اينكه موشكها به سمت جلو خيز بردارند، بايد چيزي به سمت عقب خيز بردارد. آن چيز پيشران است. پيشران ماده‌اي است كه از عقب راكت فضاپيما با فشار خارج مي‌شود و باعث رانش به سمت جلو يا نيروي پرتاب مي‌شود. غالبا پيشران نوعي سوخت است كه با يك اكسيد كننده مي‌سوزد تا حجم زيادي از گازهاي بسيار داغ توليد كند. اين گازها منبسط مي‌شوند؛ تا جايي كه با شدت از عقب موشك خارج شوند و نيروي پرتاب يا پيشرانش توليد كنند. گاهي اوقات پيشران نمي‌سوزد، و بطور مستقيم از فضاپيما خارج مي‌شود و توليد نيروي پرتاب يا پيشرانش مي‌كند. در رانش يوني ، پيشران از اتمهاي باردار الكتريكي ساخته شده است كه بر اساس خاصيت مغناطيسي از عقب فضاپيما خارج مي‌شوند. براي پيشرانه‌هاي كوچكتر ، يك گاز متراكم از عقب فضاپيما خارج مي‌شود. يون چيست و اتمها چگونه باردار مي‌شوند؟ يون يك اتم يا مولكول باردار است. علت باردار يون آن است كه تعداد الكترونها در اتم يا مولكول با تعداد پروتونها برابر نيست. يك اتم مي‌تواند بسته به اينكه تعداد الكترونها بيشتر يا كمتر از تعداد پروتونها باشد، بار منفي يا مثبت بدست آورد. وقتي كه يك اتم توسط اتمي ديگر جذب شود، چون تعداد الكترونها و پروتونهاي آن برابر نيست، به آن "يون" گفته مي‌شود. اگر اتم الكترونهاي بيشتري نسبت به پروتون داشته باشد، يون منفي يا آنيون خوانده مي‌شود. يك اتم باردار الكترون اضافي يا كمبود الكترون دارد. در سامانه دي اس 1 اتمها تا زماني كه بسيتر پر انرژي و ناپايدار شوند، گرما مي‌بينند. سپس با الكترونهايي كه توسط يك اشعه كاتدي در محفظه پيشران تخليه شده‌اند برخورد مي‌كنند. وقتي كه الكترونها در محفظه پيشران با اتمها برخورد مي‌كنند باعث مي‌شوند كه تعدادي از الكترونهاي موجود در اتم از آن جدا شوند. اين توده بسيار گرم و باردار اتم همراه با الكترونهاي مجزا تبديل به پلاسما مي‌شود.
موتور استرلينگ
موتور استرلينگ آزمايشگاهي
ساخت موتور استرلينگ
قيمت موتور استرلينگ
خريد موتور استرلينگ
پلاسما چيست؟ پلاسما به عنوان چهارمين حالت ماده شناخته مي‌شوند. سه نوع ديگر جامد ، مايع و گاز هستند. پلاسما ابري از پروتون ، نوترون و الكترون است كه در آن الكترونها از مولكولها و اتمهاي خودشان جدا شده‌اند و به پلاسما اين امكان را مي‌دهند كه بيشتر مانند هر سه آنها (پروتون ، نوترون و الكترون) رفتار كند تا مثل توده‌اي از اتمها ، پلاسما بيشتر شبيه گاز است؛ زيرا اتمها با يكديگر رابطه مشخصي ندارند، اما متفاوت از يك گاز رفتار مي‌كند. به گفته دانشمندان پلاسما داراي رفتار جداگانه است. يعني مي‌تواند مانند يك مايع جاري شود و يا اينكه مي‌تواند ناحيه‌اي را اشغال كند كه در آن اتمها مانند آجرهايي به يكديگر چسبيده‌اند. يونها چگونه شتاب مي‌گيرند؟ يونها رفتار مغناطيسي دارند. مانند يك آهنربا جذب چيزهايي با بار مخالف مي‌شوند و از چيزهايي كه بار مواق دارند دفع مي‌شوند. سامانه الكتريكي پيشرانش يوني در دي اس 1 از اين اصل جهت شتاب دادن به يونها بهره مي‌برد. يك يون مثبت به سمت يك شيء با بار منفي شتاب مي‌گيرد و از شيء با بار مثبت دور مي‌شود. مقدار نيروي جاذبه و دافعه بستگي به اختلاف بار اشياي جذب شونده و دفع شونده دارد. هر چه اين اختلاف -كه اختلاف پتانسيل خوانده مي‌شود- بيشتر باشد، يونها سريعتر حركت مي‌كنند و هر چه شيء بار بيشتري داشته باشد، يون سعي مي‌كند سريعتر به سمت آن حركت كند. پيشرانش الكتريكي خورشيدي يا پسرانش يوني پيشرانش الكتريكي خورشيدي از خاصيت الكتريسيته و مغناطيس جهت راندن يك سفينه در فضا بهره مي‌برد. الكتريسيته از صفحه‌هاي خورشيدي سفينه حاصل مي‌شود و به اتمهاي داخل محفظه ، بار الكتريكي مثبت مي‌دهد. اين اتمهاي باردار توسط ميدان مغناطيسي به سمت عقب سفينه رانده و سپس توسط دافعه مغناطيسي به خارج از سفينه پرتاب مي‌شوند. اين مانند اتفاقي است كه وقتي شما دو قطب هم نام دو آهنربا را نزديك يكديگر مي‌كنيد رخ مي‌دهد؛ آنها همديگر را دفع مي‌كنند. اين رگبار منظم خارج شونده از سفينه ، نيروي پرتاب لازم براي حركت به جلوي سفينه را در فضا ايجاد مي‌كند. هر وسيله براي حركت بايد سوخت حمل كند، موتورهاي يوني روشي ارائه مي‌كنند كه در آن سفينه‌هاي فضايي براي حركت در فضا ، بر خلاف موشكهاي مرسوم نيازي به حمل مقادير زياد سوخت ندارند. اين روش مزاياي زيادي دارد. يكي اينكه هر چه سفينه سوخت كمتري حمل كند، سبكتر خواهد بود و راحت‌تر به فضا مي‌رود. مزيت ديگر اين است كه چون سفينه به سوخت كمتري نياز دارد، خيلي زود سوختش تمام نمي‌شود تا از كار بيفتد. بيشتر انرژي داخل موشك يوني توسط الكتريسيته تأمين مي‌شود كه مي‌تواند توسط صفحه‌هاي خورشيدي در حين پروار توليد شود. تفاوت موتور يوني با موتورهاي مرسوم هر دو نوع موتور ، سفينه را توسط توليد نيروي پرتاب به جلو مي‌رانند. اين نيروي پرتاب توسط ماده اي پيشران كه از عقب سفينه خارج مي شود به وجود مي آيد. موتورهاي يوني با موتورهاي شيميايي (موتورهايي كه با سوخت مايع يا جامد كار مي كمنند)، در چگونكي توليد نيروي پرتاب و به دست آوردن انرژي متفاوتند. موتورهاي شيميايي توسط مخلوط سوخت با يك ماده ي اكسيد كننده كار مي كنند. اين كار باعث مي شود كه گاز منبسط شود و با فشار از عقب موتور خارج شود و نيروي پرتاب توليد كند. موتورهاي شيميايي موتورهايي با جرم محدود هستند. به اين معني كه مقدار توان و نيرويي كه يك موتور شيميايي توليد مي‌كند، بستگي به اين دارد كه موشك چه مقدار سوخت و مواد اكسيد كننده بتواند حمل كند. وقتي ماده پيشران تمام شود، موشك نمي‌تواند سريعتر حركت كند. با وجود اين ، موتورهاي يوني متفاوت از موتورهاي شيميايي كار مي‌كنند. موتورهاي يوني به مقدار بسيار كوچك گاز شتابي اعمال مي‌كند كه با سرعت بسيار بالايي خارج شوند. برعكس ، موتورهاي شيميايي مقدارهاي فراوان گاز را با سرعت كمتري به بيرون مي‌رانند. اين به آن معني است كه موتورهاي يوني سوخت بسيار كمتري استفاده مي‌كنند. موتورهاي يوني ، موتورهايي با انرژي محدود هستند؛ نه با جرم محدود. بنابراين تمام شدن گاز مسأله‌اي زياد مهمي براي آنها به حساب نمي‌آيد. محدوديتي كه براي موتورهاي يوني وجود دارد اين است كه بطور معمول ، تمام برق صرف تغذيه موتور يوني مي‌شود. موتورهاي يوني محدود به اين هستند كه يك موشك چه مقدار انرژي يا برق مي‌تواند حمل كند، يا اينكه صفحه‌هاي خورشيدي آن چه مقدار انرژي مي‌توانند جمع آوري كنند.
خريد موتور پالس جت
قيمت موتور پالس جت
ساخت موتور پالس جت
موتور پالس جت
ضربه ويژه ضربه ويژه به معني تغييرات اندازه حركت بر واحد جرم براي سوخت موشك است. به عبارت ديگر زماني كه سوخت استفاده شود، ميزان فشار جلو برنده چه قدر است. سرعت يك موشك در مقايسه با وزنش به نيروي پرتاب بستگي دارد كه تقريبا مقدار ماده پيشراني است كه از عقب موشك با سرعت خارج مي‌شود. هر چه سرعت خروج پيشران از عقب موشك بيشتر باشد، موشك با سرعت بيشتري حركت مي‌كند يا بار بيشتري را مي‌تواند حمل كند. ضربه ويژه پيشران موشك ، ميزان تقريبي سرعت پيشراني است كه از عقب موشك به بيرون مي‌جهد. موشكي با ضربه ويژه زياد ، نسبت به موشكي با ضربه ويژه كم ، به سوخت كمتري احتياج دارد. هر چه ضربه ويژه زيادتر باشد به ازاي مقدار سوختي كه به بيرون مي‌جهد، فشار بيشتري توليد مي‌شود. يا به بياني ديگر ، ضربه ويژه مشخص مي‌كند كه چه مقدار سوخت بايد مصرف شود تا فشار مناسبي بدست آيد. عاقبت يونها پس از ترك فضاپيما شليك يونهاي مثبت به بيرون از عقب فضاپيما ، آن را به جلو حركت مي‌دهد. در همين زمان پرتويي از الكترون با بار منفي از يك خنثي كننده كاتدي به بيرون شليك مي‌شود. چون بارهاي مثبت و موتورهاي گاز سرد از نظر قابليت كنترل شبيه به سوخت مايع ، اما سبكتر و ساده‌تر هستند. اين موتورها در اصل مخزنهاي فشار بالايي هستند كه بين حالت باز و بسته تغيير وضعيت مي‌دهند. عملكرد آنها كمي شبيه اسپري رنگ است، زماني كه در يچه آن باز است، مواد تحت فشار داخل آن به بيرون مي‌جهند. موتورهاي يوني با موتورهاي سوخت جامد و سوخت مايع تفاوت دارند. آنها موتورهايي با نيروي پرتاب پايين محسوب مي‌شوند كه مي‌توانند براي مدتهاي بسيار طولاني كار كنند. عمر موشكهاي شيميايي بطور معمول از چند ثانيه تا چند روز است، در حالي كه طول عمر موتورهاي يوني در هر كجا مي‌تواند از چند روز تا چند ماه متغير باشد. پيشرانه يون زنون يك موتور از همان اصل مرسوم كنش و واكنش استفاده مي‌كند، اما نوآوري بزرگي كه صورت گرفته ، بازده بالاي آن است. گاز زنون كه از هليوم يا نئون سنگينتر است، به داخل موتور يوني جريان پيدا مي‌كند و در آن جا باردار مي‌شود و اتمهايش تبديل به يون مي‌گردند. به محض انجام اين عمل ، يونهاي زنون در معرض يك ولتاژ الكتريكي قرار مي‌گيرند. با برقدار شدن يك جفت ميله در حدود 1300 ولت كه در داخل موتور تعبيه شده‌اند، يونها به بيرون پرتاب شدند، نيرويي در جهت عكس حركت خود به موتور وارد مي‌كنند و باعث راندن آن به جلو مي‌شوند. يونهاي زنون با سرعت 35 كيلومتر بر ثانيه حركت مي‌كنند. اين سرعت 10 برابر سرعت گازهاي خروجي از موتور موشكهاي مرسوم است، بنابراين موتورهاي يوني مي‌توانند تا 10 برابر بيشتر فشار توليد كنند. بكار گيري موتورهاي يوني به دليل نياز كمتر به سوخت ، راهي براي انجام مأموريتهاي مهيج و بلند پروازانه در پهنه بي‌كران منظومه شمسي و فضا به حساب مي‌آيد. موتورهاي يوني در هر لحظه مقدار بسيار كمي گاز زنون مصرف مي‌كنند. به آن معني كه نيروي پرتاب بسيار كمي توليد مي‌شود. اگر يك ورق كاغذ بر روي دستتان قرار دهيد، همان فشاري را حس خواهيد كرد كه موتور يوني آن فشار را براي راندن يك فضاپيما توليد مي‌كند. تقريبا چهار روز يا بيشتر طول مي‌كشد تا تنها يك كيلوگرم زنون به مصرف برسد. دي اس 1 با مصرف كمتر از 74 كيلوگرم زنون سرعتي در حدود ¾ كيلومتر بر ثانيه پيدا مي‌كند. اين مقدار در ميان ساير موشكها يك ركورد محسوب مي‌شود. دي اس 1 مي‌تواند سرعت بيشتر از اين هم بدست آورد؛ ولي مأموريت آن اين نيست كه تندتر و تندتر برود. بنابراين از بيشينه سرعت خود استفاده نمي‌كند. كاركرد آن 678 روز است؛ يعني بسيار طولاني‌تر از هر سامانه موشكي ديگر. پروژه داون در هر دوي اين موارد يعني سرعت و ماندگاري مي‌تواند از ديگر سامانه‌ها پيشي بگيرد. در آينده سرعت و ماندگاري موتورهاي يوني بيشتر هم خواهد شد.