¿Cuál es la velocidad máxima a la que un motor iónico puede impulsar una nave espacial?

Leí que con nuestra tecnología actual de propulsión iónica es posible que podamos enviar una nave moviéndose a un máximo de 100 km por segundo, o alrededor de 62 millas. Sin embargo, parece que estamos limitados por la potencia del generador de energía que podemos poner a bordo de la nave. ¿Es posible que con suficiente potencia podamos acelerar una nave espacial más allá de este límite de 100 km por segundo? ¿Cuál es la velocidad máxima a la que podríamos enviar una nave en movimiento en el espacio con nuestra tecnología actual de motor de iones?

(0,999999...) c.
@Erik No sin ingeniería de fantasía.
Pero es posible con la tecnología actual.
@Erik Realmente no lo es, mira mi respuesta.
Así que fue solo un comentario, no una respuesta seria. Habiendo dicho eso, el OP nunca restringió la respuesta a un lanzamiento de una sola etapa, ni dijeron qué tan grande es la nave espacial. Sin embargo, el punto de vida útil de su motor es bueno, pero al final, solo es más masa seca en un vehículo muy grande.
Además, para su punto, la ecuación T. no tiene en cuenta los efectos relativistas, lo que lo hace aún más difícil.
Te quedas sin xenón en el planeta mucho antes de que tengas que preocuparte por las velocidades relativistas.
¿Por qué se limitan a Xenon en el planeta?
Permítanme preguntar, si enviamos una sonda a las cercanías del Cinturón de Kuiper, luego perdemos los 4,7 km/s de velocidad orbital y la dejamos caer como una roca hacia el Sol, ¿cuál será su velocidad antes de que se incinere?
...100 km/s es la velocidad de escape del sistema solar desde una altitud de 38 radios solares sobre el Sol. Las sondas definitivamente pueden sobrevivir a eso. Así que sí, lanza la sonda al cinturón de Kuiper, detén la velocidad orbital, dale una pequeña patada hacia el Sol (de lo contrario, el comienzo llevará años) y déjalo dar el paso. Obtendrá ~ 600 km / s antes de que impacte la superficie.

Respuestas (2)

El límite no se debe a la potencia, sino a la vida útil del motor y los límites de combustible.

Los motores de iones producen muy poco empuje, por lo que para alcanzar velocidades de 100 km/s deben acelerar continuamente durante meses o años. La nave espacial Dawn , por ejemplo, se construyó con tres propulsores de iones redundantes para prolongar su vida útil y no alcanzó los 100 km/s; llevaba suficiente propulsor para cambiar su velocidad en unos 10 km/s, y tardó 15 000 horas (~1,7 años) de empuje continuo para cambiar su velocidad en 4,3 km/s .

Para lograr un ∆v de 100 km/s con un motor de iones como los de Dawn (con un impulso específico de 3100 s (velocidad de escape de 30400 m/s)) recurrimos a la ecuación del cohete Tsiolkovsky :

Δ v = v mi en ⁡ metro 0 metro F

Dónde v mi es la velocidad de escape del cohete y metro 0 y metro F son la masa de la embarcación llena de combustible y vacía respectivamente.

100000 = 30400 en ⁡ metro 0 metro F ⇒ 3.29 = en ⁡ metro 0 metro F ⇒ metro 0 metro F = mi 3.29 = 26,8

Por lo tanto, una nave espacial propulsora de iones que pretenda alcanzar los 100 km/s debe transportar 26 veces su masa seca en propulsor de xenón. Esta es una relación de masa extremadamente alta, que generalmente no se puede lograr en una nave espacial de una sola etapa. Una nave espacial de dos o tres etapas podría hacerlo con proporciones de masa razonables.

Los motores de iones ya consumen mucha energía y deben combinarse con mucha masa en paneles solares o RTG . Los propulsores más potentes podrían aumentar la velocidad de escape en una pequeña cantidad, reduciendo la relación de masa, pero a costa de aumentar en gran medida la masa seca con la fuente de alimentación más grande.

Tenga en cuenta que me refiero a un cambio en la velocidad o ∆v a lo largo de esta respuesta, en lugar de una velocidad máxima. Esto se debe a que la velocidad de los objetos en el espacio debe describirse en relación con un punto de referencia particular, y los límites de velocidad no funcionan como lo hacen para los vehículos terrestres.

Es un poco quisquilloso, pero ¿no debería ser así? ⇒ ( \Rightarrow) en lugar de → ( \rightarrow)? La primera vez que leí esto, leí → como → (el operador "va a"; en LaTeX, \to).
@MichaelKjörling Gracias, me pareció mal, pero no estaba seguro de si había una convención formal. \rightarrowfue lo primero que probé que parecía vagamente útil.
No sé si es formalmente correcto , pero es lo que aprendí en la escuela.

Lo tienes correcto, pero estás viendo un rango muy estrecho de ISP.

  • La misión BepiColombo al mercurio utiliza un propulsor de iones con un ISP de 4.200 segundos (41.202 M/s). La misma fórmula produce una relación de masa de 11,325.

  • El propulsor de iones NEXIS puede alcanzar 8000 segundos (78,200 m/s)

  • El propulsor innovador europeo DS4G logra 19.300 segundos (188.200 m/s) superando los 100 km/s de la pregunta anterior.

  • Los GIT alimentados con litio (propulsores de iones reticulados) han demostrado 50.000 - 80.000 segundos de ISP (490 km/s a 780 km/s).

El problema no es tanto la relación de masa sino la potencia aplicada al impulsor y la erosión del electrodo. El DS4G es el primer propulsor que tiene potencia concentrada en una forma pequeña, lo que se necesita para un reactor nuclear que entregue 100 KW o tal vez Mw de potencia.

Con megavatios de potencia es posible tener propulsores de iones que superen los 100.000 segundos de ISP (más de 1.000 km/seg).

¿Cuál es la velocidad máxima a la que un motor iónico puede impulsar una nave espacial?
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