یونهای كوچك و فضاپیماهای بزرگ

پیشرانهای فضایی, ابزاری برای تغییر سرعت موشكها, ماهواره ها و فضاپیماها هستند آنها روشهای متفاوتی برای تولید شتاب در سیستمهای فضایی دارند كه هر كدام مزایا و معایب خاص خود را دارد

پیشرانهای فضایی، ابزاری برای تغییر سرعت موشكها، ماهواره‌ها و فضاپیماها هستند. آنها روشهای متفاوتی برای تولید شتاب در سیستمهای فضایی دارند كه هر كدام مزایا و معایب خاص خود را دارد كه با توجه به نوع كاربرد، در سفر به فضا و یا كنترل وسیله فضایی در مدار از آنها استفاده‌های متفاوتی می‌شود.

اكثر پیشرانهای امروزی بر مبنای افزایش انرژی جنبشی سوخت و خروج سریع آنها از دهانه خروجی استوار می‌باشند. در این‌گونه سیستمها به سوخت به اصطلاح داغ شده مجال داده می‌شود تا از مجرایی به بیرون فرار كند.

سرعت بسیار زیاد گازهای خروجی طبق قانون سوم نیوتن مجموعه موتور و هرآنچه را كه به آن متصل است را در جهت مخالف خروج گازها به جلو هل خواهد داد. این نوع از پیشرانهای فضایی را موتورهای راكت می‌نامند. موتورهای راكت با توجه به فرآیند كسب انرژی توسط گازهای خروجی به دو دسته راكتهای شیمیایی و راكتهای غیر شیمیایی تقسیم می‌شوند. اكثر فضاپیماها از راكتهای شیمیایی استفاده می‌كنند.

در اینگونه موتورها ماده شیمیایی قابل اشتعالی در مجاورت اكسیدكننده مناسبی قرار گرفته و شرایط لازم برای احتراق تركیب فراهم می‌شود. حاصل احتراق گازهای پرانرژی و داغی است كه مأموریت تولید پیشران را به عهده دارند. این دسته از موتورها با توجه به نوع سوخت و اكسیدكننده به دو دسته كلی تقسیم می‌شوند.

موتورهای سوخت جامد و موتورهای سوخت مایع كه موتورهای سوخت مایع خود دو نوع دارد. بعضی انواع موتورهای سوخت مایع كه برای عمل در اتمسفر زمین طراحی می‌شوند مكنده بوده و اكسید كننده خود را كه همان اكسیژن هوا است از راه مكش هوا به داخل موتور به دست می‌آورند.

این عمل نظیر رفتار موتورهای جت هواپیماهای جنگی است. نوع دوم موتورهایی است كه اكسید كننده در داخل مجموعه حمل می‌شود مانند بسیاری از موشك‌های فضایی یا جنگی.

امروزه یكی از قدیمی‌ترین و در عین حال مدرن‌ترین موتورهای فضایی غیرشیمیایی، موتورهایی باپیشرانه‌های یونی هستند.

این موتورها كه در دسته موتورهای الكتریكی جای می‌گیرند و در حال حاضر در چند پروژه مهم فضایی مورد استفاده قرار گرفته و به ‌خوبی پاسخگوی نیازمندیها بوده‌اند. جالب است كه ایده استفاده از نیروی الكتریسیته برای تولید پیشران به سالهای اولیه تولید و گسترش موتورهای موشك باز‌می‌گردد اما به دلیل محدودیتهای فناوری در آن روزگار این ایده تا به امروز عملیاتی نشده بود. در اینگونه موتورها جریان سریع محصولات داغ احتراق جای خود را به جریانی بسیار سریعتر از یونهای پرانرژی می‌دهند.

این موتورها نیروی پیشران بسیار اندكی تولید می‌كنند اما در مقابل مصرف آنها فوق‌العاده ناچیز است. از این رو این قبیل موتورها صرفاً برای استفاده بسیار طولانی مدت كه زمان كافی جهت افزایش سرعت وجود داشته باشد، كاربرد دارند.

یون یك تك اتم یا مجموعه‌ای از اتمها است كه با از دست دادن و یا به دست آوردن تعدادی الكترون، حالت خنثی الكتریكی خود را از دست می‌دهد و تقارن بین تعداد پروتون‌های هسته و الكترون‌های پوسته در این حالت به هم می‌ریزد. اگر اتم تعداد الكترون بیشتری نسبت به پروتون داشته باشد به آن یون منفی یا آنیون گویند و در صورتی كه تعداد الكترون كمتر از پروتون باشد به آن كاتیون یا یون مثبت می‌گویند.

در موتورهای الكتریكی روشهای متفاوتی برای شتاب دادن به یونها وجود دارد كه تمام آنها یك نقطه مشترك دارند و آن این است كه با تأمین نسبت شارژ به جرم بسیار زیاد، یونها را تا آنجا كه می‌شود با سرعت بیشتری به بیرون پرتاب می‌كنند. سرعت خروج گازهای یونیده شده در این گونه موتورها گاهی تا بیش از ۱۰ برابر موتورهای شیمیایی می‌باشد اما از آنجاییكه جرم گازهای خروجی بسیار كمتر از پیشرانه‌های شیمیایی است، پیشرانش (تراست) این‌گونه موتورها خیلی كمتر از اسلاف شیمیایی آنها است.

موتورهای یونی انواع متنوعی دارد كه بعضی از آنها ساخته شده و به كار گرفته شده‌اند و پاره‌ای دیگر در حد نظر و نقشه هستند. ساده‌ترین موتور یونی پیشنهاد شده تا كنون، موتور الكترواستاتیكی است كه ساختمان و طریقه عملكرد ساده‌تری نسبت به همتایان مدرن خود دارد. در یك پیشرانه یونی الكترواستاتیكی، گاز نسبتاً سنگینی (نیروی پیشران موتور به حاصل‌ضرب دو عامل سرعت خروجی گازها و جرم آنها وابسته است) مانند آرگون با جرم اتمی ۴۰ گرم بر مول یا بخار جیوه با جرم اتمی ۲۰۰ گرم بر مول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ابتدا اتمهای سوخت، در حالت طبیعی خود، از روزنه كوچكی وارد محفظه موتور می‌شوند و در آنجا توسط الكترونهای حاصل از یك تفنگ الكترونی (مانند آنچه در لامپ تصویر تلویزیونها وجود دارد) بمباران می‌شوند.

برخورد الكترونهای سریع به اتمهای گاز باعث می‌شود كه اتمها یك یا چند الكترون از دست داده و به شكل یون مثبت درآیند. الكترونهای آزاد شده خود در نقش بمبهای جدید عمل كرده و فرآیند یون‌سازی شتاب می‌گیرد. در دیواره محفظه موتور حلقه‌های مغناطیسی مخصوصی نصب شده تا با سرعت دادن به الكترونها، فرآیند بمباران را بهبود بخشند.

الكترونها پس از برخورد با اتمها و از دست دادن انرژی خود، در نهایت توسط دیواره محفظه و یا شبكه توری با بار مثبت كه در انتهای موتور قرار دارد، جذب می‌شوند و جای خود را به الكترونهای تازه‌نفس می‌دهند.

یونهای مثبت بر اثر خاصیت پخش اتمی، سرانجام از منافذ شبكه توری با بار مثبت عبور كرده و وارد میدان الكتریكی بسیار قوی بین دو شبكه مثبت و منفی می‌شوند. اختلاف پتانسیل بسیار شدید بین دو شبكه باردار مثبت و منفی باعث می‌شود كه یونها به سمت توری محتوی بار منفی شتاب بگیرند. پتانسیل الكتریكی شبكه مثبت بسیار بیشتر از پتانسیل الكتریكی شبكه منفی انتخاب می‌شود.

از این رو یونهای مثبت بیشتر از آنكه تحت تأثیر جاذبه شبكه منفی باشند، از دافعه شبكه مثبت پیروی می‌نمایند. این امر باعث می‌شود كه تعداد بسیار زیادی از یونها قادر به فرار از منافذ شبكه منفی شوند. فرار بسیار سریع یونهای مثبت از انتهای موتور بر طبق قانون سوم نیوتن باعث تولید نیروی پیشرانی در جهت خلاف حركت یونها می‌شود.

اگر یك موتور یونی به این شیوه به كار خود ادامه دهد، رفته رفته تجمع بار منفی در موتور افزایش یافته و سیستم حالت خنثی خود را از دست خواهد داد. از این رو در اینگونه موتورها یك تفنگ الكترونی اضافی در پشت موتور به گونه‌ای نصب شده است كه الكترونهای پرتاب شده با یونهای مثبت برخورد نموده و علاوه بر آنكه اتم را به حالت خنثی تبدیل می‌كنند، باعث تخلیه بار منفی تجمعی موتور نیز می‌شوند.

چنانچه مجموعه موتور و یا سفینه فضایی حامل آن از نظر بار الكتریكی خنثی نباشد باعث ایجاد میدان الكتریكی مضاعف در پشت شبكه مثبت، جایی بین این شبكه و محفظه اصلی موتور خواهد شد. ایجاد چنین میدانی حركت یونهای مثبت به سمت خروجی موتور را مختل كرده و سیستم كار نخواهد كرد.

سرعت گازهای خروجی از یك موتور نه‌چندان كارآمد یونی باز هم به مراتب از سرعت گازهای خروجی یك موتور شیمیایی بیشتر است. در موتورهای اولیه یونی این سرعت به حدود ۳۰ كیلومتر بر ثانیه می‌رسید كه امروزه تا حدود ۲۰۰ كیلومتر بر ثانیه افزایش یافته است. در مقابل سرعت گازهای خروجی یك موتور شیمیایی بین ۳ تا ۵ كیلومتر بر ثانیه است.

هرچند سرعت گازهای خروجی بسیار زیاد است اما از آنجاكه جرم مصرفی به عنوان سوخت خیلی اندك می‌باشد، نیروی پیشران چنین موتورهای بسیار كم است. اما در مقابل این گونه موتورها می‌توانند مدت زمان زیادی تا حدود ۲ سال مداوم كار كرده و اندك اندك سرعت سفینه را افزایش دهند.

اغلب نیرویی كه توسط چنین موتورهایی تولید می‌شود در حد وزن یك برگ كاغذ است. چنین نیروی پیشران اندكی می‌تواند یك سفینه فضایی را با توجه به جرم آن با شتابی در حد یك ده هزارم تا یك میلیونیوم شتاب جاذبه زمین به حركت وادارد.

در سفرهای اكتشافی فضا و یا ماهواره‌های زمین‌آهنگی كه برای مدت طولانی به دور زمین می‌چرخند، استفاده از چنین موتورهایی توجیه دارد. مدت زمان طولانی چنین مأموریتهایی به طراحان اجازه می‌دهد كه با استفاده از نیروی پیشران اندك این موتورها، تغیرات دلخواه سرعت را به دست آورند. مصرف انرژی الكتریكی این‌ موتورها بین ۲ تا ۲۵ كیلووات بوده كه تأمین چنین انرژی زیادی نیز خود مشكل تكنیكی دیگری است.

اكنون سفرهای فضایی انگشت‌شماری از موتورهای یونی به عنوان پیشران استفاده كرده‌اند كه از آن‌جمله می‌توان به دیپ اسپیس-۱ كه در ۲۴ اكتبر ۱۹۹۸ توسط ناسا پرتاب شد، اسمارت-۱ كه در ۲۷ سپتامبر ۲۰۰۳ به قصد گردش به دور ماه توسط اِسا به فضا فرستاده شد و كاوشگر فضایی هایابوسا كه توسط آژانس فضایی ژاپن در ۹ می ۲۰۰۳ به قصد كاوش خرده‌سیارك سیب‌زمینی شكل ایتوكاوا راهی بیكران فضا گردید، اشاره نمود.

برای نمونه مشخصات موتور یونی دیپ‌اسپیس-۱ به قرار زیر است:

▪ قطر : ۳۰ سانتی‌متر

▪ وزن : ۸ كیلوگرم

▪ ضربه ویژه : ۳۱۰۰ ثانیه

▪ پیشرانش : ۲۰ تا ۹۲ میلی‌نیوتن

▪ سرعت خروج یونها : ۳۰ كیلومتر بر ثانیه

▪ وزن گاز زنون به عنوان سوخت : ۵/۸۱ كیلوگرم

▪ مدت زمان كاركرد : ۲۰ ماه

▪ تغییر سرعت نهایی ۵/۴ كیلومتر بر ثانیه

در مورد كاوشگر هایابوسا كه مأموریت ویژه‌ای را انجام داد وضع به ‌گونه دیگری بود. لزوم رسیدن به خرده سیارك ایتوكاوا با سرعتی معقول، قرارگیری در مدار مشابه هدف، تعقیب ایتوكاوا با سرعتی برابر سرعت مداری آن و دور و نزدیك شدن به سیارك با سرعتی بسیار آرام لزوم استفاده از چنین موتور قابل كنترلی را دو چندان كرده بود.

هایابوسا برای طی بیش از دو بیلیون كیلومتر راه تا رسیدن به ایتوكاوا در مدت ۲۵۸۰۰ ساعت كار مداوم موتورهای یونی خود فقط ۲۹ كیلوگرم زنون مصرف كرد و به‌ازای آن به اختلاف سرعتی معادل ۱۴۰۰ متر بر ثانیه دست‌ یافت.

نزدیك شدن به ایتوكاوا در مراحل نمونه‌برداری با سرعت اندك ۵ سانتی‌متر بر ثانیه كه به سیستم كنترل فرصت لازم برای تصحیحات ضروری را می‌داد از دیگر كاربریهای این موتورهای كم‌ مصرف بود.