up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله يونهاي كوچك PDF
QR code - يونهاي كوچك

يونهاي كوچك

يونهاي كوچك و فضاپيماهاي بزرگ

پيشرانهاي فضايي، ابزاري براي تغيير سرعت موشكها، ماهواره ها و فضاپيماها هستند. آنها روشهاي متفاوتي براي توليد شتاب در سيستمهاي فضايي دارند كه هر كدام مزايا و معايب خاص خود را دارد كه با توجه به نوع كاربرد، در سفر به فضا و يا كنترل وسيله فضايي در مدار از آنها استفاده هاي متفاوتي مي شود.
اكثر پيشرانهاي امروزي بر مبناي افزايش انرژي جنبشي سوخت و خروج سريع آنها از دهانه خروجي استوار مي باشند. در اين گونه سيستمها به سوخت به اصطلاح داغ شده مجال داده مي شود تا از مجرايي به بيرون فرار كند.
سرعت بسيار زياد گازهاي خروجي طبق قانون سوم نيوتن مجموعه موتور و هرآنچه را كه به آن متصل است را در جهت مخالف خروج گازها به جلو هل خواهد داد. اين نوع از پيشرانهاي فضايي را موتورهاي راكت مي نامند. موتورهاي راكت با توجه به فرآيند كسب انرژي توسط گازهاي خروجي به دو دسته راكتهاي شيميايي و راكتهاي غير شيميايي تقسيم مي شوند. اكثر فضاپيماها از راكتهاي شيميايي استفاده مي كنند.
در اينگونه موتورها ماده شيميايي قابل اشتعالي در مجاورت اكسيدكننده مناسبي قرار گرفته و شرايط لازم براي احتراق تركيب فراهم مي شود. حاصل احتراق گازهاي پرانرژي و داغي است كه مأموريت توليد پيشران را به عهده دارند. اين دسته از موتورها با توجه به نوع سوخت و اكسيدكننده به دو دسته كلي تقسيم مي شوند.
موتورهاي سوخت جامد و موتورهاي سوخت مايع كه موتورهاي سوخت مايع خود دو نوع دارد. بعضي انواع موتورهاي سوخت مايع كه براي عمل در اتمسفر زمين طراحي مي شوند مكنده بوده و اكسيد كننده خود را كه همان اكسيژن هوا است از راه مكش هوا به داخل موتور به دست مي آورند.
اين عمل نظير رفتار موتورهاي جت هواپيماهاي جنگي است. نوع دوم موتورهايي است كه اكسيد كننده در داخل مجموعه حمل مي شود مانند بسياري از موشك هاي فضايي يا جنگي.
امروزه يكي از قديمي ترين و در عين حال مدرن ترين موتورهاي فضايي غيرشيميايي، موتورهايي باپيشرانه هاي يوني هستند.
اين موتورها كه در دسته موتورهاي الكتريكي جاي مي گيرند و در حال حاضر در چند پروژه مهم فضايي مورد استفاده قرار گرفته و به خوبي پاسخگوي نيازمنديها بوده اند. جالب است كه ايده استفاده از نيروي الكتريسيته براي توليد پيشران به سالهاي اوليه توليد و گسترش موتورهاي موشك باز مي گردد اما به دليل محدوديتهاي فناوري در آن روزگار اين ايده تا به امروز عملياتي نشده بود. در اينگونه موتورها جريان سريع محصولات داغ احتراق جاي خود را به جرياني بسيار سريعتر از يونهاي پرانرژي مي دهند.
اين موتورها نيروي پيشران بسيار اندكي توليد مي كنند اما در مقابل مصرف آنها فوق العاده ناچيز است. از اين رو اين قبيل موتورها صرفاً براي استفاده بسيار طولاني مدت كه زمان كافي جهت افزايش سرعت وجود داشته باشد، كاربرد دارند.
يون يك تك اتم يا مجموعه اي از اتمها است كه با از دست دادن و يا به دست آوردن تعدادي الكترون، حالت خنثي الكتريكي خود را از دست مي دهد و تقارن بين تعداد پروتون هاي هسته و الكترون هاي پوسته در اين حالت به هم مي ريزد. اگر اتم تعداد الكترون بيشتري نسبت به پروتون داشته باشد به آن يون منفي يا آنيون گويند و در صورتي كه تعداد الكترون كمتر از پروتون باشد به آن كاتيون يا يون مثبت مي گويند.
در موتورهاي الكتريكي روشهاي متفاوتي براي شتاب دادن به يونها وجود دارد كه تمام آنها يك نقطه مشترك دارند و آن اين است كه با تأمين نسبت شارژ به جرم بسيار زياد، يونها را تا آنجا كه مي شود با سرعت بيشتري به بيرون پرتاب مي كنند. سرعت خروج گازهاي يونيده شده در اين گونه موتورها گاهي تا بيش از ۱۰ برابر موتورهاي شيميايي مي باشد اما از آنجاييكه جرم گازهاي خروجي بسيار كمتر از پيشرانه هاي شيميايي است، پيشرانش (تراست) اين گونه موتورها خيلي كمتر از اسلاف شيميايي آنها است.
موتورهاي يوني انواع متنوعي دارد كه بعضي از آنها ساخته شده و به كار گرفته شده اند و پاره اي ديگر در حد نظر و نقشه هستند. ساده ترين موتور يوني پيشنهاد شده تا كنون، موتور الكترواستاتيكي است كه ساختمان و طريقه عملكرد ساده تري نسبت به همتايان مدرن خود دارد. در يك پيشرانه يوني الكترواستاتيكي، گاز نسبتاً سنگيني (نيروي پيشران موتور به حاصل ضرب دو عامل سرعت خروجي گازها و جرم آنها وابسته است) مانند آرگون با جرم اتمي ۴۰ گرم بر مول يا بخار جيوه با جرم اتمي ۲۰۰ گرم بر مول به عنوان سوخت مورد استفاده قرار مي گيرد.
ابتدا اتمهاي سوخت، در حالت طبيعي خود، از روزنه كوچكي وارد محفظه موتور مي شوند و در آنجا توسط الكترونهاي حاصل از يك تفنگ الكتروني (مانند آنچه در لامپ تصوير تلويزيونها وجود دارد) بمباران مي شوند.
برخورد الكترونهاي سريع به اتمهاي گاز باعث مي شود كه اتمها يك يا چند الكترون از دست داده و به شكل يون مثبت درآيند. الكترونهاي آزاد شده خود در نقش بمبهاي جديد عمل كرده و فرآيند يون سازي شتاب مي گيرد. در ديواره محفظه موتور حلقه هاي مغناطيسي مخصوصي نصب شده تا با سرعت دادن به الكترونها، فرآيند بمباران را بهبود بخشند.
الكترونها پس از برخورد با اتمها و از دست دادن انرژي خود، در نهايت توسط ديواره محفظه و يا شبكه توري با بار مثبت كه در انتهاي موتور قرار دارد، جذب مي شوند و جاي خود را به الكترونهاي تازه نفس مي دهند.
يونهاي مثبت بر اثر خاصيت پخش اتمي، سرانجام از منافذ شبكه توري با بار مثبت عبور كرده و وارد ميدان الكتريكي بسيار قوي بين دو شبكه مثبت و منفي مي شوند. اختلاف پتانسيل بسيار شديد بين دو شبكه باردار مثبت و منفي باعث مي شود كه يونها به سمت توري محتوي بار منفي شتاب بگيرند. پتانسيل الكتريكي شبكه مثبت بسيار بيشتر از پتانسيل الكتريكي شبكه منفي انتخاب مي شود.
از اين رو يونهاي مثبت بيشتر از آنكه تحت تأثير جاذبه شبكه منفي باشند، از دافعه شبكه مثبت پيروي مي نمايند. اين امر باعث مي شود كه تعداد بسيار زيادي از يونها قادر به فرار از منافذ شبكه منفي شوند. فرار بسيار سريع يونهاي مثبت از انتهاي موتور بر طبق قانون سوم نيوتن باعث توليد نيروي پيشراني در جهت خلاف حركت يونها مي شود.
اگر يك موتور يوني به اين شيوه به كار خود ادامه دهد، رفته رفته تجمع بار منفي در موتور افزايش يافته و سيستم حالت خنثي خود را از دست خواهد داد. از اين رو در اينگونه موتورها يك تفنگ الكتروني اضافي در پشت موتور به گونه اي نصب شده است كه الكترونهاي پرتاب شده با يونهاي مثبت برخورد نموده و علاوه بر آنكه اتم را به حالت خنثي تبديل مي كنند، باعث تخليه بار منفي تجمعي موتور نيز مي شوند.
چنانچه مجموعه موتور و يا سفينه فضايي حامل آن از نظر بار الكتريكي خنثي نباشد باعث ايجاد ميدان الكتريكي مضاعف در پشت شبكه مثبت، جايي بين اين شبكه و محفظه اصلي موتور خواهد شد. ايجاد چنين ميداني حركت يونهاي مثبت به سمت خروجي موتور را مختل كرده و سيستم كار نخواهد كرد.
سرعت گازهاي خروجي از يك موتور نه چندان كارآمد يوني باز هم به مراتب از سرعت گازهاي خروجي يك موتور شيميايي بيشتر است. در موتورهاي اوليه يوني اين سرعت به حدود ۳۰ كيلومتر بر ثانيه مي رسيد كه امروزه تا حدود ۲۰۰ كيلومتر بر ثانيه افزايش يافته است. در مقابل سرعت گازهاي خروجي يك موتور شيميايي بين ۳ تا ۵ كيلومتر بر ثانيه است.
هرچند سرعت گازهاي خروجي بسيار زياد است اما از آنجاكه جرم مصرفي به عنوان سوخت خيلي اندك مي باشد، نيروي پيشران چنين موتورهاي بسيار كم است. اما در مقابل اين گونه موتورها مي توانند مدت زمان زيادي تا حدود ۲ سال مداوم كار كرده و اندك اندك سرعت سفينه را افزايش دهند.
اغلب نيرويي كه توسط چنين موتورهايي توليد مي شود در حد وزن يك برگ كاغذ است. چنين نيروي پيشران اندكي مي تواند يك سفينه فضايي را با توجه به جرم آن با شتابي در حد يك ده هزارم تا يك ميليونيوم شتاب جاذبه زمين به حركت وادارد.
در سفرهاي اكتشافي فضا و يا ماهواره هاي زمين آهنگي كه براي مدت طولاني به دور زمين مي چرخند، استفاده از چنين موتورهايي توجيه دارد. مدت زمان طولاني چنين مأموريتهايي به طراحان اجازه مي دهد كه با استفاده از نيروي پيشران اندك اين موتورها، تغيرات دلخواه سرعت را به دست آورند. مصرف انرژي الكتريكي اين موتورها بين ۲ تا ۲۵ كيلووات بوده كه تأمين چنين انرژي زيادي نيز خود مشكل تكنيكي ديگري است.
اكنون سفرهاي فضايي انگشت شماري از موتورهاي يوني به عنوان پيشران استفاده كرده اند كه از آن جمله مي توان به ديپ اسپيس-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 فضايي هايابوسا كه توسط آژانس فضايي ژاپن در ۹ مي ۲۰۰۳ به قصد كاوش خرده سيارك سيب زميني شكل ايتوكاوا راهي بيكران فضا گرديد، اشاره نمود.
براي نمونه مشخصات موتور يوني ديپ اسپيس-۱ به قرار زير است:
▪ قطر : ۳۰ سانتي متر
▪ وزن : ۸ كيلوگرم
▪ ضربه ويژه : ۳۱۰۰ ثانيه
▪ پيشرانش : ۲۰ تا ۹۲ ميلي نيوتن
▪ سرعت خروج يونها : ۳۰ كيلومتر بر ثانيه
▪ وزن گاز زنون به عنوان سوخت : ۵ ۸۱ كيلوگرم
▪ مدت زمان كاركرد : ۲۰ ماه
▪ تغيير سرعت نهايي ۵ ۴ كيلومتر بر ثانيه
در مورد كاوشگر هايابوسا كه مأموريت ويژه اي را انجام داد وضع به گونه ديگري بود. لزوم رسيدن به خرده سيارك ايتوكاوا با سرعتي معقول، قرارگيري در مدار مشابه هدف، تعقيب ايتوكاوا با سرعتي برابر سرعت مداري آن و دور و نزديك شدن به سيارك با سرعتي بسيار آرام لزوم استفاده از چنين موتور قابل كنترلي را دو چندان كرده بود.
هايابوسا براي طي بيش از دو بيليون كيلومتر راه تا رسيدن به ايتوكاوا در مدت ۲۵۸۰۰ ساعت كار مداوم موتورهاي يوني خود فقط ۲۹ كيلوگرم زنون مصرف كرد و به ازاي آن به اختلاف سرعتي معادل ۱۴۰۰ متر بر ثانيه دست يافت.
نزديك شدن به ايتوكاوا در مراحل نمونه برداري با سرعت اندك ۵ سانتي متر بر ثانيه كه به سيستم كنترل فرصت لازم براي تصحيحات ضروري را مي داد از ديگر كاربريهاي اين موتورهاي كم مصرف بود.

شايد تاكنون ماشين هاي كوچك زيادي در اطراف خود ديده باشيد كه همگي از چيپ هاي كوچك سيليكوني ساخته شده اند، قطعه اي روي قطعه ديگر ساييده مي شود يا محوري ...

تکنولوژي به سرعت در حال تعويض و دگرگوني طرز زندگي روزانه مردم است. در اين مقاله سعي خواهد شد به صورت خلاصه و به ترتيب اهميت ۱۰ مورد از تکنولوژي نوين و ...

کارن وترهان يک پروفسور بين المللي شيمي و يک محقق ماهر در زمينه اثر فلزات سنگين بر روي سيستم هاي زنده و بويژه نقششان در ايجاد سرطان بود . اما خود او سر ...

آنها اتمهاي اکسيژن هستند با يک الکترون اضافه و آنها به ما کمک ميکنند تا احساس بهتري بکنيم. در هوا ذرات با بارهاي مثبت و منفي وجود دارند. از تجمع ذرات ...

نيلز بور (۱۹۶۲-۱۸۸۵)، از بنيانگذاران فيزيك كوانتوم، در مورد چيزي كه بنيان گذارده است، جمله اي دارد به اين مضمون كه اگر كسي بگويد فيزيك كوانتوم را فهمي ...

نوعي ماده منفجره است که به منظور پراکنده کردن مواد خطرناک راديواکتيو در سطحي وسيع طراحي شده است. ممکن است شما هم مثل خيلي هاي ديگر، وقتي دو عبارت بمب ...

● زمينه هاي تاريخي تجريه کيفي به ابتکار «پروفسور رونالد بلچر» که به نارساييهاي متعدد سيستم هاي تجزيه کيفي معدني موجود پي برده و تصميم به اصلاح اين سيس ...

امروزه علم پزشکي کمک بسياري به انسان کرده و پزشکان سعي کرده اند براي بيماري ها درماني پيدا کنند. هر روز تعداد بيشتري از بيماري ها قابل درمان مي شوند . ...

دانلود نسخه PDF - يونهاي كوچك