בהנחה שאתה מתכוון "די קטן" מבחינת המסה כמו גם תפוקת הדחף. ביסודו, כונני היונים הנוכחיים מוגבלים בכמות הכוח העומדת לרשותם - נדרשים הרבה מאוד קילוואט של כוח קלט בכמויות זעירות של דחף.

כידוע מהתשובה שקישרת, השחר החללית מופעלת על ידי 3 מנועי יון NSTAR המייצרים דחף מקסימלי של 90mN, ולכל אחד מהם מסת עצמה ~ 25.5 ק"ג. מה שהתשובה הזו לא הצליחה להזכיר היא הכמות העצומה של כניסת שחר שדורשת להפעלת מנועי היונים שלה. יש לו מערך עצום של 36.4 מ ' ² של פאנלים סולאריים, שכאשר הם נמתחים הופכים את כל החללית ל- 19.7 מ' ( מקור).

ב- 1AU הם מייצרים כוח 10kW עצום, אך בגלל החוק המרובע ההפוך, זה יורד ל- 1300W ב- 3AU . זוהי בעיה הטמונה בכל החלליות המופעלות על ידי השמש - למעשה, פגישת נאס"א בשנת 2007 שהפיקה את המסמך המקושר לעיל על הערכת חשמל סולארי בחלל, היא תדרוש ל 250 מטר ^{2 sup> מערך סולארי כדי לספק רק 400 ואט למסלול אורנוס. כל המצב הזה מחמיר כאשר מקור ההנעה שלך דורש קילוואט כוח כדי לפעול - מה שמגביל את התועלת של מנועי היונים רחוק מהשמש.}

ההפניה לתכנון מנוע היונים NSTAR קוראת ל 2.3 קילוואט הספק באופן ספציפי. יש צורך באנרגיה רבה כדי לספק מרחק מתח כדי להאיץ את היונים לרוחב (ולכן מייצר את הדחף).

שאר מנוע היונים הוא בעיקר מוצק ודיגיטלי, עם מעט חלקים נעים בסך הכל. זה תורם למסה הנמוכה שלו. גם המסה הנמוכה הזו אינה אינהרנטית למנועי היון - תנועות ההידרזין הפיזיות עצמן שנמצאות בדרך כלל בחלליות אינן שוקלות כל כך הרבה, אלא המסה של הדלק היא הבעיה.

פתרונות

מרבית הניסיונות להגדיל את מנועי היונים דורשים בהכרח מערכים סולאריים גדולים או כורי ביקוע גרעיניים (בהתאמה נקראים הנעה חשמלית סולארית & הנעה חשמלית גרעינית). אף מקור כוח אינו אידיאלי לחלוטין. הניסיון המוקדם ביותר של הנעת יונים היה תוכנית לצרף מנוע VASIMR ל- ISS (שנפל מאז אמנם) בכדי לספק מדי פעם חידושים לגובה התחנה כדי לפצות על ריקבונה במסלול. זה ישתמש ב 200 קילוואט כוח כדי לייצר 4N דחף - הבעיה היא שזה למעשה יותר מכל תפוקת הכוח של ה- ISS. הפיתרון שלהם היה לטפטף קבוצה של סוללות המאפשרות למנוע את המנוע לסירוגין.

Ad Astra, החברה המפתחת VASIMR, הציעה גם ארכיטקטורת משימה בה ניתן להגיע למאדים תוך 39 ימים, אך משימה כזו תדרוש כור גרעיני רב מגה-ואט. האקלים הטכני והפוליטי הנוכחי הופך את זה למתחיל.

לסיכום ...

ביסודו, מנועי היונים הם קטנים ומספקים כמויות דחף קטנות מכיוון שהגודל, המסה, והכוח הדרוש להפעלתם בדחיפות גבוהות יותר אינו אפשרי כרגע.

עד שיעלויות ההשקה ירדו, ופתרונות האנרגיה יוכלו לספק יותר כוח לחלליות, נראה שמנועי היונים מוגבלים ליישומי דחף נמוכים.

להשאיר בצד את בעיות צריכת החשמל (שנדונו היטב בתשובות אחרות) ולחזור לחלק של השאלה בה שאלת:

האם הן [Thruster Ion] מוגבלות מיסודן ב בדרך כלשהי? האם יש סיבה לקוות אילו מגבלות ניתן יהיה להתגבר עליהן בשלב כלשהו, ​​כך שניתן יהיה להשתמש בהן ב- ISP הגבוה לצורך האצה גבוהה יותר בחלליות גדולות יותר?

יש כמה מחקר מאוד מעניין נעשה במעבדה להנעה חשמלית ופלסמה של פרינסטון (EPPDyL) בדיוק לשאלה זו תוך שימוש במאיצי כוח ליתיום לורנץ. המחקר נמצא עדיין בעיצומו, אך התוצאות שפורסמו עד כה נראות מעודדות.

גרף זה מתוך קנה מידה של יעילות עם שדה מגנטי יישומי בתנופה מגנטופלסמאדינמית (עמוד 5):

מראה את הדחף של הדחף הניסיוני שלהם כנגד ההיצע הנוכחי הוא בשיעורי הזנת Li שונים. יחס הדחף לכוח (אם אני קורא נכון את הגרף) מראה יעילות של 1N / 37.5kW בתצורה אופטימלית. בערך כפול מזה שצוטט לעיל עבור מכשיר VASIMIR.

אז בהחלט מתקדמת, אך עדיין יש דרך לפני שדחפי יונים יתחילו להחליף מנועים כימיים במלאכה גדולה יותר.

בעוד שספק האינטרנט שלהם טוב בטירוף, יש למתיחי יונים יחס T / W עלוב, פחות מ -1 / 1000 האחדות; אתה פשוט לא יכול להמריא מאף גוף גדול, לא משנה בכמה מהם אתה משתמש.

הגורם המגביל העיקרי, אני חושב, הוא צריכת החשמל. הדחפים המשמשים שחר ו- DS1 דורשים 24 קילוואט לכל ניוטון דחף. תצטרך 1.21 ג'יגה-וואט כדי להפעיל מכשיר של 50 ק"ג. מדחפי יונים הנמצאים בשימוש כרגע הם קטנים רק משום שתזדקק למערכים סולאריים גדולים עד כדי גיחוך בכדי להשתמש בגדולים יותר.

מה שרוב התשובות האחרות אינן מצליחות לזהות הוא שדחפי יונים הם קטנים לפי תכנון.

נכון שתוכל להגדיל את כונן היונים שלך אם תחבר אותו למדרגה דומה. מקור כוח. אבל לא היית עושה.

הסיבה שכונני יון משתמשים בה מכיוון שיש להם ספק שירותי אינטרנט מעולה. הסיבה שיש להם ספק שירותי אינטרנט נהדר היא שיש להם מהירות פליטה רבה. הסיבה לכך היא שכמות ענקית של אנרגיה קינטית מושקעת בכמות זעירה של דלק.

  1/2 mv ^ 2 = KE  

הגדלת כונן היונים פשוט תגדיל את כמות הדלק שנזרק מאחור. מה שכן, כן מגביר את הדחף, אך על חשבון ספק שירותי האינטרנט.

העובדה היא הגדלת כונן יונים מנוגד לכל הרעיון של כונן יונים.

עריכה:

אוקיי, אין כל כך מגבלה "קשה" לרוב כונני היונים ב- ISP. עם זאת ישנן בעיות הנדסיות משמעותיות. בואו ניקח את הכונן היוני הקלאסי בסגנון מאיץ. בשלב מסוים אתה צריך להאיץ יונים לכיוון אלקטרודה. ככל שתכניס יותר אנרגיה ליונים, כך הם נטרקים יותר באלקטרודה (אם הם יפגעו). זה גורם נזק לאלקטרודה.

סגנון בעיה זה קיים בכל כונני היונים. ביסודו של דבר אתה מנסה להפוך את המנוע הדק ביותר האפשרי, שמייצר את הלהבה החמה ביותר. בשלב מסוים המנוע הדקיק שלך ידליף את הלהבה החמה, ויפסיק לעבוד ביעילות.

התעלמות משאלת האנרגיה שכוסתה כבר יפה מאוד ...

מנועי יונים הם מנועי "דחף נמוך", מה שאומר שיחס משקל הדחף שלהם נמוך בהרבה מ- 1.

כן, מנועי היונים ניתנים להרחבה! אתה יכול להכין אותם בכל גודל, אבל אתה לא באמת יכול להגדיל את יחס הדחף לשטח. אז אם אתה רוצה להכפיל את הדחף אתה צריך להפוך את המנוע לרוחב כפליים, או להשתמש בשני מנועים זה ליד זה. למעשה זה אומר שאנחנו יכולים 1) להגדיל חללית עם מנוע יון ו -2) להוסיף מנועים עוד יותר כדי לקבל יחס משקל דחף טוב יותר, אבל זה עדיין יהיה חללית "דחיפה נמוכה" ביסודם עם אותם מסלולי ספירלה חינניים. זה לא אומר שהם לא שימושיים, זה רק אומר שמי שמפעיל אותם זקוק לסבלנות.

נפח גדל עם קוביית גודל, ואזור עם ריבוע הגודל. אז אם אתה מייצר חללית פי 10 משחר, בסופו של דבר יש לך משהו כמו פי 1000 מהמשקל. כדי לקבל את אותו יחס דחף ומשקל, תזדקק למנועים בגודל של פי 1000 מהשטח, או ל- sqrt (1000) = גדול פי 32. כמו כן, הפאנלים הסולאריים יצטרכו להיות ארוכים פי 32 באותה צורה. אין גבול, אך בסופו של דבר הספינה שלך כוללת פאנלים סולאריים ומנועים! דרך בסיסית לעשות את העבודה. ציקלוטרון קטן עשוי לתת לך יחס משקל דחף טוב יותר, אך זה עדיין יהיה "דחף נמוך"!

אני חושב ששימוש ב -24 קילו אנרגיה כדי לייצר שווה ערך ל- 1 ג'ול של מומנטום הוא הרוצח כאן .. אם מנוע היונים יהיה אי פעם שימושי באמת, הוא יצטרך לעלות .. ובמקרה כזה אני חושב שאפילו 2 ג'ול של מומנטום או 10 לא יהיו פריצת דרך, אבל חלק יעילות שנמדד באזור האחוזים יהיה במקום הנוכחי של 41.67 למיליון ..

( גם אם ספק שירותי האינטרנט יירד ..) (אך עדיין, אם ספק האינטרנט הוא רק חלק, בעוד שהיעילות תעלה עשרוניות רבות, כדאי יהיה ..)

עוד דלק במקרה זה כן , אבל הרבה פחות משקל מנוע, הרבה פחות משקל כור .. (או פאנלים סולאריים לצורך העניין ..) על האחרון הייתי מציע מפרש סולארי ולא פאנלים .. כמו כן, מפרש סולארי יהיה הרבה פחות נוטה ליעילות אובדן בגלל נזק .. מפרש סולארי עדיין יועיל גם בגיל 10+ ..

(השמש הסולארית תפקוד דומה מאוד לפאנל סולארי, אך תהיה גמישה, עם תאים גדולים בהרבה .. בניגוד להגדרה הסטנדרטית של מפרש סולארי, שיניב תאוצה דרך ההשפעה הפיזית של 'חלקיקי השמש' על פני השטח שלו, ולא על זרם חשמלי ..)

(כשחושבים על זה עכשיו, אפשר גם להשתמש שניהם, לפחות במידה מסוימת, מתרחקים מהשמש ..)

למעשה השקתי מחשבה רבה על כך ובראשתי שתי דרכים לעשות זאת. מערך סולארי המחובר למנוע היונים יכול לשמש למיקוד אור או לייזר לתוך זרבובית פרבולית שתמקד את האור רחוק יותר בצוואר הדחף ויצר את האנרגיה הדרושה להצית או ליצור פלזמה מהדלק.

השני היה לירות לייזר במראה הפרבולית ושוב צורת זרבובית המתיח תמקד את הלייזר לנקודה עדינה.

לקראת השמש. האיור שלי שונה מהתמונה למטה. שלי ממקד אור לנקודה טובה לחום.

http://www.geoffreylandis.com/lightsail/Lightsail89.html זה האיור הוא מיקוד האור לחשמל.

לא בטוח אם השיטה שלי תהיה טובה יותר.

הרחק מהשמש.