Un sistema de propulsión de una nave espacial accionado eléctricamente utiliza campos eléctricos, y posiblemente también magnéticos, para cambiar la velocidad de una nave espacial . La mayoría de estos tipos de sistemas de propulsión de naves espaciales funcionan expulsando propelente ( masa de reacción ) eléctricamente a alta velocidad. [1]
Los propulsores eléctricos generalmente usan mucho menos propulsor que los cohetes químicos porque tienen una velocidad de escape más alta (operan a un impulso específico más alto ) que los cohetes químicos. [2] Debido a la energía eléctrica limitada, el empuje es mucho más débil en comparación con los cohetes químicos, pero la propulsión eléctrica puede proporcionar empuje durante más tiempo. [3]
La propulsión eléctrica es ahora una tecnología madura y ampliamente utilizada en naves espaciales. Los satélites rusos han utilizado propulsión eléctrica durante décadas. [4] A partir de 2019 [actualizar], más de 500 naves espaciales operadas en todo el Sistema Solar utilizan propulsión eléctrica para mantener la posición , elevar la órbita o propulsión primaria. [5] En el futuro, los propulsores eléctricos más avanzados pueden impartir un delta-v de 100 km / s, que es suficiente para llevar una nave espacial a los planetas exteriores del Sistema Solar (con energía nuclear ), pero es insuficiente para viajes interestelares . [2] [6] Un cohete eléctrico con una fuente de energía externa (transmisible a través de láser en los paneles fotovoltaicos ) tiene una posibilidad teórica de vuelo interestelar . [7] [8] Sin embargo, la propulsión eléctrica no es un método adecuado para lanzamientos desde la superficie de la Tierra, ya que el empuje de tales sistemas es demasiado débil.
Historia
La idea de la propulsión eléctrica para naves espaciales se remonta a 1911, presentada en una publicación de Konstantin Tsiolkovsky . [9] Anteriormente, Robert Goddard había anotado tal posibilidad en su cuaderno personal. [10]
El Dr. Tony Martin consideró la propulsión eléctrica con un reactor nuclear para el Proyecto interestelar Daedalus en 1973, pero el enfoque novedoso fue rechazado debido a un empuje muy bajo , el equipo pesado necesario para convertir la energía nuclear en electricidad y, como resultado, un pequeño aceleración , que tardaría un siglo en alcanzar la velocidad deseada. [11]
La demostración de propulsión eléctrica fue un motor de iones a bordo de la nave espacial SERT-1 (Space Electric Rocket Test), [12] [13] lanzado el 20 de julio de 1964 y funcionó durante 31 minutos. [12] Una misión de seguimiento lanzada el 3 de febrero de 1970, SERT-2, llevaba dos propulsores de iones, uno funcionó durante más de cinco meses y el otro durante casi tres meses. [12] [14] [15]
A principios de la década de 2010, muchos fabricantes de satélites estaban ofreciendo opciones de propulsión eléctrica en sus satélites, principalmente para el control de actitud en órbita , mientras que algunos operadores de satélites de comunicaciones comerciales comenzaban a utilizarlos para la inserción de órbitas geosincrónicas en lugar de los tradicionales motores de cohetes químicos . [dieciséis]
Tipos
Accionamientos de iones y plasma
Estos tipos de motores de reacción similares a cohetes utilizan energía eléctrica para obtener el empuje del propulsor que lleva el vehículo. A diferencia de los motores de cohetes, este tipo de motores no necesariamente tienen toberas de cohetes y, por lo tanto, muchos tipos no se consideran verdaderos cohetes. [ cita requerida ]
Los propulsores de propulsión eléctrica para naves espaciales se pueden agrupar en tres familias según el tipo de fuerza utilizada para acelerar los iones del plasma:
Electrostático
Si la aceleración es causada principalmente por la fuerza de Coulomb (es decir, la aplicación de un campo eléctrico estático en la dirección de la aceleración), el dispositivo se considera electrostático.
- Propulsor de iones con rejilla
- Preparación para la aplicación de tecnología solar de la NASA (NSTAR)
- HiPEP
- Propulsor de iones de radiofrecuencia
- Propulsor de efecto Hall , incluidos sus subtipos Propulsor de plasma estacionario (SPT) y Propulsor con capa de ánodo (TAL)
- Propulsor de iones coloides
- Propulsión eléctrica por emisión de campo
- Propulsor de extracción de campo de nanopartículas
Electrotérmica
La categoría electrotérmica agrupa los dispositivos en los que se utilizan campos electromagnéticos para generar un plasma para aumentar la temperatura del propulsor a granel. La energía térmica impartida al gas propulsor se convierte luego en energía cinética mediante una boquilla de material sólido o campos magnéticos. Los gases de bajo peso molecular (por ejemplo, hidrógeno, helio, amoniaco) son los propulsores preferidos para este tipo de sistema.
Un motor electrotérmico usa una boquilla para convertir el calor de un gas en movimiento lineal en sus moléculas, por lo que es un verdadero cohete aunque la energía que produce el calor provenga de una fuente externa.
El rendimiento de los sistemas electrotérmicos en términos de impulso específico (Isp) es algo modesto (500 a ~ 1000 segundos), pero supera al de los propulsores de gas frío , los cohetes monopropulsores e incluso la mayoría de los cohetes bipropelentes . En la URSS , los motores electrotérmicos se utilizaron desde 1971; los satélites soviéticos " Meteor-3 ", "Meteor-Priroda", "Resurs-O" y el satélite ruso "Elektro" están equipados con ellos. [17] Los sistemas electrotérmicos de Aerojet (MR-510) se utilizan actualmente en los satélites Lockheed Martin A2100 que utilizan hidracina como propulsor.
- Resistojet
- Arcjet
- Microonda
- Cohete de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR)
Electromagnético
Si los iones son acelerados por la fuerza de Lorentz o por el efecto de campos electromagnéticos donde el campo eléctrico no está en la dirección de la aceleración, el dispositivo se considera electromagnético.
- Propulsor de plasma sin electrodos
- Propulsor magnetoplasmadynamic
- Propulsor inductivo pulsado
- Propulsor de plasma pulsado
- Propulsor de doble capa Helicon
Accionamientos no iónicos
Fotónico
El impulso fotónico no expulsa materia para el impulso de reacción, solo fotones. Ver propulsión láser , propulsor láser fotónico, cohete fotónico .
Amarre electrodinámico
Las correas electrodinámicas están llevando a cabo a largo alambres, tales como uno desplegado desde un satélite de sujeción , que puede operar en principios electromagnéticos como generadores , mediante la conversión de su energía cinética a la energía eléctrica , o como motores , la conversión de energía eléctrica en energía cinética. [18] El potencial eléctrico se genera a través de una correa conductora por su movimiento a través del campo magnético de la Tierra. La elección del conductor metálico que se utilizará en una atadura electrodinámica está determinada por una variedad de factores. Los factores primarios generalmente incluyen alta conductividad eléctrica y baja densidad . Los factores secundarios, según la aplicación, incluyen el costo, la resistencia y el punto de fusión.
Polémico
Se han propuesto varios métodos de propulsión, en los que no está claro si pueden funcionar de acuerdo con las leyes de la física que se entienden actualmente, que incluyen: [19]
- Propulsor de vacío cuántico
- EM Drive o Cannae Drive
Estable frente a inestable
Los sistemas de propulsión eléctrica también se pueden caracterizar como estables (disparo continuo durante un período prescrito) o inestable (disparos pulsados que se acumulan hasta un impulso deseado ). Sin embargo, estas clasificaciones no son exclusivas de los sistemas de propulsión eléctrica y pueden aplicarse a todos los tipos de motores de propulsión.
Propiedades dinámicas
Los motores de cohetes propulsados eléctricamente proporcionan un empuje más bajo en comparación con los cohetes químicos en varios órdenes de magnitud debido a la energía eléctrica limitada que se puede proporcionar en una nave espacial. [3] Un cohete químico imparte energía a los productos de combustión directamente, mientras que un sistema eléctrico requiere varios pasos. Sin embargo, la alta velocidad y la menor masa de reacción gastada para el mismo empuje permiten que los cohetes eléctricos funcionen durante mucho tiempo. Esto difiere de la típica nave espacial de propulsión química, donde los motores funcionan solo en cortos intervalos de tiempo, mientras que la nave espacial sigue principalmente una trayectoria inercial . Cuando está cerca de un planeta, la propulsión de bajo empuje puede no compensar la atracción gravitacional del planeta. Un motor de cohete eléctrico no puede proporcionar suficiente empuje para levantar el vehículo de la superficie de un planeta, pero un empuje bajo aplicado durante un intervalo largo puede permitir que una nave espacial maniobre cerca de un planeta.
Ver también
- Vela magnética , un sistema propuesto impulsado por el viento solar del Sol o cualquier estrella
- Lista de naves espaciales con propulsión eléctrica , una lista de naves espaciales pasadas y propuestas que utilizaron propulsión eléctrica
Referencias
- ^ Mazouffre, Stéphane (1 de junio de 2016). "Propulsión eléctrica para satélites y naves espaciales: tecnologías establecidas y enfoques novedosos". Ciencia y tecnología de fuentes de plasma . 25 (3): 033002. doi : 10.1088 / 0963-0252 / 25/3/033002 . ISSN 0963-0252 .
- ^ a b Choueiri, Edgar Y. (2009) Nuevo amanecer del cohete eléctrico Scientific American 300, 58–65 doi : 10.1038 / scientificamerican0209-58
- ^ a b "Propulsión eléctrica versus química" . Propulsión de naves espaciales eléctricas . ESA . Consultado el 17 de febrero de 2007 .
- ^ Investigación de propulsión eléctrica en el Instituto de Investigación Tecnológica Fundamental
- ^ Lev, Dan; Myers, Roger M .; Lemmer, Kristina M .; Kolbeck, Jonathan; Koizumi, Hiroyuki; Polzin, Kurt (junio de 2019). "La expansión tecnológica y comercial de la propulsión eléctrica". Acta Astronautica . 159 : 213-227. doi : 10.1016 / j.actaastro.2019.03.058 .
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- ^ Sonda interestelar impulsada por láser G Landis - Boletín APS, 1991
- ^ Geoffrey A. Landis. Sonda interestelar impulsada por láser Archivado el 22 de julio de 2012 en la Wayback Machine en el Geoffrey A. Landis: Science. artículos disponibles en la web
- ^ Palaszewski, Bryan. "Propulsión eléctrica para futuras misiones espaciales (PowerPoint)" . Propulsión eléctrica para futuras misiones espaciales . Centro de Investigación Glenn de la NASA . Consultado el 31 de diciembre de 2011 .
- ^ Choueiri, Edgar Y. (2004). "Una historia crítica de la propulsión eléctrica: los primeros 50 años (1906-1956)" . Revista de propulsión y potencia . 20 (2): 193-203. CiteSeerX 10.1.1.573.8519 . doi : 10,2514 / 1,9245 .
- ^ PROYECTO DAEDALUS: EL SISTEMA DE PROPULSIÓN Parte 1; Consideraciones teóricas y cálculos. 2. REVISIÓN DE SISTEMAS DE PROPULSIÓN AVANZADOS Archivado el 28 de junio de 2013 en Wayback Machine.
- ^ a b c Contribuciones de Glenn de la NASA al espacio profundo 1
- ^ Cybulski, Ronald J .; Shellhammer, Daniel M .; Lovell, Robert R .; Domino, Edward J .; Kotnik, Joseph T. (1965). "Resultados de la prueba de vuelo del cohete de iones SERT I" (PDF) . NASA . NASA-TN-D-2718.
- ^ NASA Glenn, "SPACE ELECTRIC ROCKET TEST II (SERT II)" Archivado el 27 de septiembre de 2011 en Wayback Machine (consultado el 1 de julio de 2010)
- ^ SERT Archivado el 25 de octubre de 2010 en lapágina Wayback Machine en Astronautix (consultado el 1 de julio de 2010)
- ^ de Selding, Peter B. (20 de junio de 2013). "Los satélites de propulsión eléctrica están de moda" . SpaceNews . Consultado el 6 de febrero de 2015 .
- ^ "Motores de propulsión eléctricos nativos hoy" (en ruso). Novosti Kosmonavtiki. 1999. Archivado desde el original el 6 de junio de 2011.
- ^ NASA, Tethers In Space Handbook , editado por ML Cosmo y EC Lorenzini, tercera edición, diciembre de 1997 (consultado el 20 de octubre de 2010); ver también la versión en NASA MSFC ; disponible en scribd
- ^ "Por qué el 'impulso de la relatividad electromagnética' de Shawyer es un fraude" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 25 de agosto de 2014.
- Aerospace America, publicación de la AIAA, diciembre de 2005, sección Propulsion and Energy, págs. 54–55, escrito por Mitchell Walker.
enlaces externos
- Laboratorio de propulsión a chorro de la NASA
- La expansión tecnológica y comercial de la propulsión eléctrica - D. Lev et al. [1]
- Propulsión eléctrica (iónica) , Centro Universitario de Investigaciones Atmosféricas, Universidad de Colorado en Boulder, 2000.
- Arquitectura de energía distribuida para propulsión eléctrica
- Choueiri, Edgar Y. (2009). Nuevo amanecer del cohete eléctrico
- Robert G. Jahn y Edgar Y. Choueiri. Propulsión eléctrica
- Laboratorio de ingeniería de plasma y propulsión eléctrica de la Universidad Estatal de Colorado (CEPPE)
- Propulsores de plasma estacionarios (PDF)
- https://web.archive.org/web/20090530080218/http://www.daviddarling.info/encyclopedia/E/electricprop.html
- [2]
- Una historia crítica de la propulsión eléctrica: los primeros cincuenta años (1906-1956) - AIAA-2004-3334