A critical History of Electric Propulsion: The First Fifty Years (1906-1956)


Download 329.88 Kb.
Pdf ko'rish
bet2/5
Sana17.01.2018
Hajmi329.88 Kb.
#24732
1   2   3   4   5

positively charged atoms had been known, the pro-

ton had been discovered, and he had recognized the

better suitability of ions to propulsion)[8, p. 222]:

It is quite probable that electrons and ions

can be used, i.e. cathode and especially an-

ode rays. The force of electricity is unlim-

ited and can, therefore, produce a powerful

flux of ionized helium to serve a spaceship.

However, we shall leave these dreams for a

while and return to our prosaic explosives

13

.

There is no evidence that Tsiolkovsky was suffi-



ciently versed in electricity and magnetism, let alone

the newly burgeoning field of gaseous electronics, to

tackle the problem of EP. That problem was first

addressed, and at an even earlier date than Tsi-

olkovsky’s first qualitative speculations, by a young

American visionary who was trained precisely in

these nascent branches of physics and who shared

a passion for space travel with the “dreamer from

Kaluga”, despite never having heard of him or his

12

One example is the little recognized fact that he had



clearly anticipated laser propulsion (another EP concept of

sorts) in this quote from 1926[8, p. 134]:“We may have a case

when, in addition to the energy of ejected material, we also

have an influx of energy from the outside. This influx may be

supplied from Earth during motion of the craft in the form of

radiant energy of some wavelength; . . . ”.

13

The word “explosives” in Tsiolkovsky’s parlance refers to



liquid chemical propellants.

CHOUEIRI: CRITICAL HISTORY OF EP (1906-1956)

6

ideas



14

.

Robert Hutchings Goddard



15

’s (1882-1945) early

career as a young academic physicist was divided be-

tween his official research work on electricity and his

personal passion for propulsion

16

. That this would



lead him to think of electric propulsion was natural

if not inevitable.

Aside from an amusing anecdote

17

about his “ear-



liest recollection of a scientific experiment” at the

age of five[17] –and which, incidentally, involved the

use of “electricity” for “propulsion”– the first doc-

14

There seems to be no evidence to doubt the claims made



by each of Tsiolkovsky, Oberth and Goddard of having arrived

at many of their early findings regarding chemical rockets in-

dependently. Oberth stated in a letter addressed to Goddard

and dated May 3, 1922[14], that he had just learned of God-

dard’s work as he was preparing the manuscript of his book Die

Rakete zu den Planetenr¨

aumen for publication. In response

Goddard sent him a copy of his famous 1919 monograph “A

Method of Reaching Extreme Altitudes” which Oberth subse-

quently cited in an appendix of his book. This letter therefore

fixes 1922-1923 as the date when both men became aware of

each other’s work. It is most likely that Tsiolkovsky learned

of his Western counterparts’ works not long after the publica-

tion of Oberth’s well-disseminated book in 1923, well after the

(limited) publication of the first two versions (1903 and 1911)

of his own “Investigation of Universal Space by Means of Re-

active Devices”, but before his extensive work of 1926 carrying

the same title. Goddard and Oberth seem to have remained

unaware of the work of the Russian visionary until around

1927, the year of the Moscow exhibition on “Interplanetary

Apparatus and Devices” where Tsiolkovsky was hailed as the

Russian “father of rocketry” . (Goddard’s wife Esther wrote

on a souvenir scrapbook of that exhibition notes that decried

the insufficient recognition given to her husband’s work[15].)

We had already mentionned in Footnote 8 Tsiolkovsky’s reac-

tion, as early as 1924, to Oberth’s popularity. Later, Oberth

wrote to Tsiolkovsky “I would certainly be much further in

my own work today. . . had I taken into account your superior

work.”[14].

15

Refs. [14, 16, 15] are three of the biographical books on



Goddard.

16

This duality of interest is epitomized by Goddard’s work



habits during his memorable stay at Princeton University as

a research fellow in electricity and magnetism during the aca-

demic year of 1912-1913. During the day he worked on dis-

placement current experiments, his official research project (a

by-product of which led to a patent that was instrumental in

the development of the radio tube), and he spent his evenings

working on the theory of rocket propulsion[14, 16].

17

The story involves a five-year old Goddard attempting to



propel himself upwards after rubbing zinc from a battery on his

shoes and scuffing them vigorously on a gravel walk to cause

electric sparks[14, 17].

Figure 1: Robert H. Goddard.

umented instance in which Goddard considered the

possibility of electric propulsion dates to September

6, 1906. On that day the twenty-four-year old God-

dard set out to address the problem of producing

“reaction with electrons moving with the velocity of

light” and wrote down his thoughts on this problem

in his notebook. In particular he posed the question:

At enormous potentials can electrons be lib-

erated at the speed of light, and if the po-

tential is still further increased will the reac-

tion increase (to what extent) or will radio-

activity be produced?[18, p. 84]

Goddard quickly demonstrated in these handwrit-

ten pages[18, pp. 82-88] (dated September 6 and 9,

1906) that he was quite aware of the most recent de-

velopments in physics concerning the nature of cath-

ode rays

18

. However the incomplete state of that



18

This was not the first time the young Goddard considered

the application of cathode rays to propulsion. A few months

earlier, in another entry in the same notebook[18, pp. 38-41],

dated February 18, 1906, he conceived a device (which he also

illustrated schematically) in which two parallel tubes, one pro-

ducing (negative) cathode rays and the other (positive) canal

rays, were thought to yield a net reactive force. This would

seem to be the earliest documentation of an electric rocket con-

cept. However, a close examination of his notes reveals that

he did not discuss the device in terms of the rocket effect, i.e.


CHOUEIRI: CRITICAL HISTORY OF EP (1906-1956)

7

knowledge hindered him from answering his ques-



tions. Despite highly educated attempts he was not

able to calculate the levels of required energy or

power nor resolve the issue of what happens when

the electrons reach the speed of light and the accel-

erating potential is raised further. His notes and cal-

culations on September 9 demonstrate that he was

well aware of Walter Kaufmann’s careful measure-

ments, published in 1901, which indicated that the

inferred mass of the electron increased as its speed

neared that of light. While he was, apparently, not

yet aware of Einstein’s special relativity theory, which

was published only a few months before and had not

yet gained much acceptance

19

, Goddard found him-



self contending with the conjecture that the electron’s

inertia at the speed of light might be infinite. He did

remain hopeful, however, that experiments might de-

termine “the voltage necessary to give a speed equal

to the velocity of light”.

It is interesting to consider why, at that early stage,

Goddard was more concerned with the electrostatic

acceleration of electrons rather than ions despite his

knowledge of canal rays, and why these early ideas,

not surprisingly, still fell short of a workable thruster

concept. We can suggest five reasons:

1. As we already mentioned in Footnote 11, the na-

ture of these rays was still debated at that time

and the ionization physics underlying the pro-

duction of electron-ion pairs was not clear.

reaction due to mass expulsion, but rather in terms of cre-

ating a momentum imbalance. Specifically, Goddard stated

that the cathode and anode rays would “simply serve as ways

to increase an effect which is unbalanced”.

These ideas of

propulsion through unbalanced internal forces were constant

on his mind since his first thoughts on the subject while in

a cherry tree[15] in 1899. He did not totally give up such a

concept, it seems, until March 4, 1907 when, after conceiving

another device where charged particle acceleration in opposing

directions was to produce a momentum imbalance, he wrote

in his notebook[18, p. 150]: “The device . . . cannot be used,

as the two opposite accelerations on each end of the condenser

battery would neutralize each other”, and concluded with the

insight: “A simpler plan would be to expel the electrons after

they had acquired a significantly great velocity.”.

19

It was not until Planck and Minkowski published their



ideas on special relativity in 1908 that Einstein’s famous 1905

publications on the subject were taken seriously. In 1905 Ein-

stein was only a “technical expert third class” at the Bern

patent office.

Figure 2: An excerpt of the the entry dated Septem-

ber 6, 1906 in Goddard’s handwritten notebook

showing some of the questions he attempted to an-

swer quantitatively in order to assess the feasibility

of electric propulsion using electrostatic potentials to

accelerate electrons to the speed of light (represented

by the symbol Λ).

2. There was the implicit belief in these early writ-

ings that high accelerating voltages (and not

high beam currents) were the main technical dif-

ficulty. This, consequently, favored electrons as

the propellant needed to reach extremely high

velocities.

3. There was still a lack of appreciation of the im-

mense difficulty, stipulated by the laws of spe-

cial relativity, in accelerating a particle having

a finite rest mass to a speed very near that of

light


20

.

4. It is doubtful that Goddard, at this early time,



had fully appreciated the practical (i.e. system-

related) penalty incurred by an electric rocket

20

While even late-nineteenth century cathode ray tubes ac-



celerated electrons to speeds that are a fraction of that of light,

the technology of powerful radio-frequency sources capable of

accelerating electrons through linear resonance accelerators to

speeds very close to that of light was not developed until after

1940.


CHOUEIRI: CRITICAL HISTORY OF EP (1906-1956)

8

with an exceedingly high exhaust velocity



21

.

5. There is another system-related penalty that



must have been far from Goddard’s mind. Elec-

trostatic acceleration of lighter atoms, let alone

electrons, while less demanding on the voltage,

results in beam currents which, because of space

charge limitation, incur adverse demands on the

required area (and therefore size and mass) of

the accelerator

22

.



These five problems which confounded Goddard’s

first thoughts on EP, were eventually dealt with one

21

This penalty can be seen by expressing the thrust-to-



power ratio, T /P , of an EP system as a function of its exhaust

velocity. Using the definition of thrust efficiency

η



(1/2) ˙



mu

2

ex



P

(1)


and

T = ˙


mu

ex

(2)



we can write

T

P



=

u



ex

(3)


which shows how raising the exhaust velocity, even at a max-

imum thrust efficiency of 1, will incur a power supply mass

penalty through the decrease of the amount of thrust per

unit power. This mass penalty could easily overwhelm the

mass savings, due to high exhaust velocity, indicated by Tsi-

olkovksy’s rocket equation. Thrust with relativistic electron

velocities is therefore most expensive from a power supply

point of view.

22

This may not be directly evident but can easily be seen



by using the definitions of thrust, mass flow rate and current

density to write

T = ˙

mu

ex



=

j

q



m

i

Au



ex

,

(4)



and invoking the Child’s law for space-charged limited current

density (for an idealized 1-D electrostatic accelerator),

j



2q



m

i

1/2



V

3/2


d

2

,



(5)

then solving for the exit area, A, of the accelerator in terms

of thrust and exhaust velocity (and not in terms of applied

potential as more commonly done):

A



T d



2

u

4



ex

q

m



i

2

.



(6)

In practice d is limited by design constraints and the thrust

and exhaust velocity are mission requirements. This leaves

the area to scale with the square of the ion’s charge-to-mass

ratio and emphasizes the benefits of heavier propellants.

by one by him and other pioneers, but only over a

time period extending over the next four decades.

Goddard’s notebooks show that EP was a constant,

if not a consuming, idea in his mind. Between 1906

and 1912 the evolution of his thoughts on that subject

led him to appreciate the advantages of relying on the

reaction of ions in an electrostatic accelerator, and

the need for neutralizing the charged exhaust with a

stream of oppositely charged particles. He explicitly

stated the latter realization in the following quote

from the March 9, 1907 notebook entry:

If [negative] particles are shot off, the car

will have an increasing [positive] charge un-

til the potential is so great that [negative]

particles cannot be shot off. Hence [posi-

tive] particles must be emitted in a quantity

equal to that of the [negative] particles.

As in many instances

23

in the career of this ingenious



and practical scientist, his ideas culminated, by 1917,

in two inventions whose importance to the history of

EP has been largely unrecognized.

The first invention, whose patent application was

filed in 1913 (granted in 1915), is a method for pro-

ducing “electrically charged particles”[19] which re-

lies on an applied magnetic field to confine electrons

in a gas and thus greatly enhance the probability of

their ionizing collisions with neutral molecules –much

like it is done in the ionization chamber of modern

electron bombardment ion thrusters and magnetron

plasma sources. In 1917 Goddard, who by then had

become an assistant professor of physics at Clark Uni-

versity, filed another U.S. patent application titled

“Method of and Means for Producing Electrified Jets

of Gas”[20]. In that patent

24

, granted in 1920, God-



dard presented three variants of apparatus, the first

two of which are means of charging a stream of gas

without having the stream affect the charging pro-

cess. The third variant, however, is of direct rele-

vance to our history as it is the world’s first docu-

mented electrostatic ion accelerator intended for

23

There are 214 patents in Goddard’s name.



24

In an autobiographical article written in 1927 and pub-

lished in 1959[17], Goddard stated that the experimental work

which checked the conclusions set forth in that patent was car-

ried out at Clark University by two students during 1916-1917.


CHOUEIRI: CRITICAL HISTORY OF EP (1906-1956)

9

propulsion. Goddard, in his patent description of this



particular variant of the invention, in fact mentioned

propulsion as the main application

25

and stated, re-



ferring first to the exhaust velocities of a chemical

rocket from an earlier patent

26

:

These velocities are the greatest that have



yet been produced in any way with masses

of gas of appreciably large magnitude, but

are much less than are possible by the

method herein described, for the reason that

the potential of the container M , which pro-

duces the high velocity, may be as high as

desired.

The schematic of that accelerator is shown in Fig. (3)

whose caption describes the concept

27

.



With the entry of the United States into World

War I on April 6, 1917, Goddard offered his services

to the Smithsonian for developing rockets for mili-

tary applications. By this time his intermittent but

visionary explorations of EP seem to have ceded to

25

Although the word “space” was not mentioned in the



patent (instead RHG stated that the intended application was

“jet propulsion”) there is little doubt that Goddard, who was

well aware of the smallness of the reactive forces inherent in

electrostatic acceleration, was thinking of spacecraft propul-

sion as the ultimate application. (This assumption would best

be ascertained by experimental measurements or more detailed

description Goddard and his students may have made with an

actual device, however we did not find any such documen-

tation in the Goddard’s Archives at Clark University.) It is

relevant to mention in this context that while Goddard of-

ten wrote in his notebooks about the technical problems of

space travel he rarely mentioned this ultimate application in

official communications and confined his stated goals to the

“reaching of high altitudes” for scientific studies. Later in his

career he stated[21]: “I regard it as most unfortunate that

the interplanetary aspect of rocket theory was seized upon

and sensationalized. This has discouraged public confidence

and in some cases has turned away serious support from the

researches that need to be carried on into the fundamental

problems of rocket and jet propulsion”. It is often said that

Goddard never fully recovered from the humiliation of a 1920

New york Times editorial[22] in which his ideas on the use of

rockets in the vacuum of space were severely ridiculed.

26

US Patent No. 1,102,653: “Rocket Apparatus”; Applica-



tion filed October 9, 1912; Patent granted July 7, 1914.

27

A possible reason why this early electrostatic accelerator



was overlooked as such is that the patent description deals

with a number of aspects of “electrified jets of gas” only one

of which is electrostatic acceleration.

Figure 3: The the world’s first documented electro-

static thruster. Schematic of Goddard’s third vari-

ant of his 1917 invention as it appears in US patent

#1,363,037 (granted in December 1920)[20].

The


propellant is injected through the tube labeled T

3

;



charge is added to the flow from the cathode filament

F

1



which is placed in the wake of the stream and

whose anode is a metallic plate at location P . The

filament is powered by the power supply B

2

. The



whole is enclosed in a metallic sphere M , which is

“kept at a very high potential” using the power sup-

ply B

1

. “The sign of the charge on M is the same as



that of the ions in the jet thus causing their repulsion

away from the device at high velocities proportional

to the applied potential[20].”

his almost exclusive intellectual dedication to chemi-

cal rocket launch vehicles.

It is at this point in our story of EP that we must

deal with the historically problematic role of Yuri

V. Kondratyuk

28

(1897-1941). There is no doubt



28

There is presently no extensive biography, in English, of

this most obscure of early thinkers on astronautics. The fol-

lowing events of his life have become known through a recent

biographical sketch[23]. His original name, Alexander Shargei,

was changed to evade the authorities in the course of a woeful

life. He landed in prison in Kiev while still in his mother’s

womb. After demonstrating his intellectual brilliance at the

gymnasium of his birthplace town of Poltava in the Ukraine he

was forced to abort his engineering education in Kiev to com-

mand a machine-gun platoon on the Transcaucasian Front dur-

ing WWI. He then had a stint with the White Guard army, was



CHOUEIRI: CRITICAL HISTORY OF EP (1906-1956)

10

that this relatively little known thinker deserves a



place in the pantheon of astronautical visionaries for

his bold, far-reaching and original ideas

29

, and that



his name also deserves to be featured in EP’s early

history. In a section under the heading “Concern-

ing other Possible Reactive Devices” in a manuscript

quaintly titled “To whomsoever will read in order to

build”

30

, dated 1918-1919



31

, Kondratyuk, like Tsi-

olkovsky and Goddard before him, wrote about EP

in the context of cathode rays. Speaking of the high-

velocity charged particles, however, he noted

Their drawback is the tremendous energy

required, and their velocity is greater than

need be; the larger the velocity, the greater

the amount of energy that we must expend

to obtain the same reaction, . . . [9, p. 23].

The last sentence demonstrates that Kondratyuk was

fully aware of Equation 3 and its practical implica-

tions. That he fully appreciated the advantage of

accelerating more massive particles is evidenced by

almost killed by the Cheka while trying to escape to Poland,

escaped to Siberia where he worked as a mechanic in Novosi-

birsk then was caught and served three years in a labor camp

before being released to work on wind turbines in Kharkov. He


Download 329.88 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling