Ионный двигатель своими руками: Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель / Хабр

Содержание

Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель / Хабр

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.

Выстрел из АК

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Почему ксенон?

Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.

Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т. е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.

Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Космический ионный двигатель принцип работы. Что такое ионный двигатель

Европейское космическое агентство провело испытания прямоточного ионного двигателя, использующего в качестве рабочего тела воздух из окружающей атмосферы. Предполагается, что небольшие спутники с таким двигателем смогут практически неограниченно находиться на орбитах с высотой 200 или менее километров, сообщается в пресс-релизе агентства.

Принцип работы ионных двигателей основан на ионизации частиц газа и их разгоне с помощью электростатического поля. Частицы газа в таких двигателях разгоняются до значительно больших скоростей, чем в химических двигателях, из-за чего ионные двигатели имеют гораздо больший удельный импульс и расходуют меньше топлива. Но у ионных двигатель есть и важный недостаток — крайне малая тяга, по сравнению с химическими двигателями. Из-за этого они редко применяются на практике, в основном на небольших аппаратах. К примеру, такие двигатели используются на зонде Dawn, сейчас на орбите карликовой планеты Церера, и будут использоваться в миссии BepiColombo , которая должна отправиться к Меркурию в конце 2018 года.

Как и в химических двигателях, в используемых сейчас ионных двигателях применяется запас топлива, как правило, ксенона. Но существует и концепция прямоточных ионных двигателей, которая, правда, пока не применялась на летавших в космос аппаратах. Ее отличие заключается в том, что в качестве рабочего тела предлагается использовать не конечный запас газа, загружаемый в бак перед запуском, а воздух из атмосферы Земли или другого атмосферного тела.

Схема работы двигателя

ESA–A. Di Giacomo

Предполагается, что относительно небольшой аппарат с таким двигателем сможет практически неограниченно находиться на низких орбитах с высотой примерно от 150 километров, компенсируя атмосферное торможение тягой двигателя, работающего на поступающем в него воздухе из атмосферы. В 2009 году ESA запустило спутник GOCE , который смог за счет постоянно включенного ионного двигателя с запасом ксенона пробыть на 255-километровой орбите в течение почти пяти лет. После этого агентство занялось разработкой прямоточного ионного двигателя для аналогичных низкоорбитальных спутников, и теперь провело первые испытания такого двигателя.

Испытания проходили в вакуумной камере, в которой располагался двигатель. Изначально в него подавали ускоренный ксенон. После этого в газозаборное устройство начали добавлять смесь кислорода с азотом, имитирующую атмосферу на высоте 200 километров. В конце испытаний инженеры провели тесты с исключительно воздушной смесью для проверки работоспособности в основном режиме.

Испытания двигателя с воздухом в качестве топлива

Прямоточный ионный двигатель

Основная проблема в освоении космических просторов — крайне низкие скорости у разработанных человечеством летательных аппаратов. Современные разработки имеют также и огромный расход топлива. Таким образом, если построить ракету и запустить ее, например, на Марс и обратно, то корабль будет просто огромный. И большую его часть будет занимать именно топливо. Приблизительно для высадки на Марс нужно более миллиарда тонн высококачественного ракетного топлива. К счастью, такая современная разработка ученых, как ионный двигатель, сможет в недалеком будущем решить эту проблему. Теоретически с его помощью можно разгоняться до двухсот километров за секунду. Основными плюсами можно назвать именно огромные развиваемые скорости и маленький запас горючего. Для работы такого агрегата, как ионный двигатель, нужны лишь электричество и инертный газ. Однако есть у него и некоторые недостатки, например, слабая разгонная скорость. Это заставляет задуматься о многих проблемах применения двигателя в условиях присутствия гравитационных полей.

Ионный двигатель: принцип действия

Благодаря высокому напряжению ионизируется газ в специальной камере. Вследствие этого ионы газа начинают выбрасываться прочь из камеры и создавать тягу. Однако, так как это цепная реакция, и сила тяги увеличивается очень медленно и постепенно, понадобится приблизительно полгода, чтобы разогнаться до двухсот километров в секунду. Примерно такое же количество времени уйдет и на торможение. С другой стороны, объективно эти цифры очень малы в сравнении с показателями у современных космических двигателей, которым на достижение подобных по качеству результатов необходимо было бы затратить в двадцать раз больше времени. Более того, инертный газ занимает в сотни раз меньше места, чем топливо у ракет. Единственная проблема, которую сложно решить — это наличие электричества. Солнечных батарей просто не хватит для работы таких приборов, как ионные двигатели, поэтому вероятно применение ядерного реактора.

Еще одним недостатком можно считать низкую маневренность. Также основным вопросом стоит проблема с гравитацией. Находясь в пределах поля Земли, двигатель просто не будет работать. С другой стороны, в условиях открытого космоса аналогов такого устройства, как ионный двигатель, пока нет.

Немного истории и перспективы

В фантастической литературе подобные приборы встречались довольно часто. Однако только в 1960 году был создан ионный двигатель своими руками (а точнее, руками научных сотрудников НАСА). Он назывался широко-лучевым электростатическим устройством. Уже в начале семидесятых прошли испытание ртутные электростатические двигатели в условиях открытого космоса.

К концу семидесятых генераторы на основе эффекта Холла использовали в Советском Союзе. В качестве именно основного двигателя ионный был применен на американском космическом аппарате в 1998 году. За ним последовали европейский зонд, японский космический корабль в 2003 году. На сегодняшний день НАСА разрабатывает знаменитый проект под названием «Прометей». Для него конструируют супермощный ионный двигатель, который питается от ядерного реактора.

Человек вышел в космос благодаря ракетным двигателям на жидком и твердом топливе. Но они же и поставили под вопрос эффективность космических полетов. Для того чтобы сравнительно небольшой хотя бы «зацепился» за его устанавливают на вершине ракеты-носителя внушительных размеров. А сама ракета, по сути, это летающая цистерна, львиная доля веса которой отведена под топливо. Когда все оно израсходуется до последней капли, на борту корабля остается мизерный запас.

Чтобы не упасть на Землю, периодически поднимает свою орбиту импульсами Топливо для них — примерно 7,5 тонны — несколько раз в году доставляют автоматические корабли. Но на пути к Марсу такой дозаправки не предвидится. Не пора ли распрощаться с устаревшими схемами и обратить внимание на более совершенный ионный двигатель?

Для того чтобы он заработал, безумных количеств топлива не потребуется. Только газ и электричество. Электроэнергия в космосе добывается улавливанием светового излучения Солнца панелями солнечных батарей. Чем дальше от светила, тем меньше их мощность, поэтому придется воспользоваться еще и Газ поступает в первичную камеру сгорания, где он бомбардируется электронами и ионизируется. Получившуюся холодную плазму отправляют на разгорев, а потом — в магнитное сопло, на разгон. Ионный двигатель выбрасывает из себя раскаленную плазму со скоростями, недоступными обычным ракетным двигателям. И получает необходимое ускорение.

Принцип работы настолько прост, что можно собрать демонстрационный ионный двигатель своими руками. Если электрод в форме вертушки предварительно сбалансировав, установить на острие иглы и подать высокое напряжение, на острых концах электрода появится синее свечение, создаваемое срывающимися с них электронами. Их истечение создаст слабую реактивную силу, электрод начнет вращаться.

Увы, ионные двигатели обладают настолько мизерной тягой, что не могут оторвать космический аппарат от поверхности Луны, не говоря уже о наземном старте. Наиболее наглядно это можно увидеть, если сравнить два корабля, отправляющихся к Марсу. Корабль с жидкостными двигателями начнет перелет после нескольких минут интенсивного разгона и потратит чуть меньше времени на торможение у Красной планеты. Корабль с ионными двигателями будет разгоняться два месяца по медленно раскручивающейся спирали, причем такая же операция ждет его в окрестностях Марса…

И все же ионный двигатель уже нашел свое применение: им оснащен ряд беспилотных космических аппаратов, отправленных в многолетние разведывательные миссии к ближним и дальним планетам Солнечной системы, в пояс астероидов.

Ионный двигатель — та самая черепаха, которая обгоняет быстроногого Ахилла. Израсходовав все топливо в считанные минуты, жидкостный двигатель умолкает навсегда и становится бесполезным куском железа. А плазменные способны работать годами. Не исключено, что ими будет оснащен первый космический аппарат, который на досветовой скорости отправится к — ближайшей к Земле звезде. Предполагается, что перелет займет всего лишь 15-20 лет.

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг
, начальная скорость пули 700 м/с
, а скорострельность 10 выстр./с
. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс)
. Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр. /мин.

Выстрел из АК

Почему ксенон?

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива
, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).

Схема полёта к Марсу на ИРД

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты. -16 Кл
.

Двигатели для космических кораблей схема

Технология находится в процессе разработки!

Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей.
Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя
Схема ионного двигателя
Преимущества ионного двигателя
Перспективы применения ионных двигателей
Достигнутые технические характеристики ионного двигателя
Применение ионных двигателей

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя:

Ионный двигатель – тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Впервые устройство ионного двигателя было предложено русским ученым К.Э. Циолковским в 1906 г. В дальнейшем осуществлялось теоретическая проработка данного вопроса. В настоящее время происходит его практическое воплощение.

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.

Зажигание двигателя инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых в газоразрядную (ионизирующую) камеру. В ионизаторе высокоэнергетические электроны производят ионизацию рабочего тела – газа.

Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов.

Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против -225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя космический аппарат, согласно третьему закону Ньютона.

Электроны, пойманные в катодную трубку (нейтрализатор), выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

Для выработки электричества используются солнечные батареи. Но в дальнейшем планируется использовать ядерные установки.

Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе позволяет повысить энергоэффективность системы.

Ионные двигатели характеризуются высоким импульсом. Они расходуют малое количество газа для совершения маневра.

Схема и устройство ионного двигателя:

Рис. 1. Устройство ионного двигателя

@ https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Преимущества ионного двигателя для космического аппарата:

– создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей,
– расходует меньше топлива, чем обычные реактивные двигатели,
– в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах,
– для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,
– низкая рабочая температура в отличии от обычных реактивных двигателей,
– рабочее тело не обязательно должно быть высокой степени чистоты в отличии от обычного топлива в химических ракетах,
– простота сборки и эксплуатации конструкции,
– ионный двигатель позволит увеличить срок эксплуатации космических аппаратов в 2-3 и более раза,
– для путешествия на Марс (и обратно) достаточно ионного двигателя мощностью порядка 50 кВт.

Перспективы применения ионных двигателей:

Применение ионных двигателей в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов.

Современные тенденции таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов (свыше 1000 кг) неуклонно снижается и составляет порядка не более 30% от всех запусков.

Все более востребованными становятся малые космические аппараты, имеющие вес от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой орбите до 1000 км. и функционирующие продолжительное время – в течение 5-10 лет.

К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.

Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их активной работы (эксплуатации) в 2-3 раза и продлит срок их жизни с 2-3 лет до 5-10 лет.

В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в т.ч. тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты.

Достигнутые технические характеристики ионного двигателя. Тяга, скорость, КПД ионного двигателя:

Характеристики:	Значение:
Потребляемая мощность, кВт	1—7
Скорость истечения ионов ионного двигателя, км/с	20—50
Тяга ионного двигателя, мН	20—250
КПД ионного двигателя, %	60—80
Время непрерывной работы, лет	более 3

Применение ионных двигателей:

– управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (в настоящее время),
– главный тяговый двигатель небольшой автоматической космической станции (в настоящее время),
– главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов (в будущем).

Источник: https://cyclowiki. org/wiki/Ионный_двигатель, https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com, https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

карта сайта

российский новый ионный реактивный космический двигатель принцип работы своими руками для космических аппаратов в россии x3 википедия холла видео ksp купить перспективы
тяга схема принцип действия устройство работа ионного двигателя на эффекте холла
ионно плазменный двигатель на катушке тесла в домашних условиях кпд импульс
как сделать работает самый мощный высокочастотный ионный двигатель для дальнего космоса наса леонова
китай создал новый ионный двигатель 2759

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле.

Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия.

Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки.

Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов.

Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

Как работает самый совершенный ракетный двигатель. Но не ионный.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе.

Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением.

Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

NASA: Россия сможет отправлять своих космонавтов в космос на Crew Dragon

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

Роберт Годдард.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать.

Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе.

Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее.

Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя.

По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Как это работает. Ракетный двигатель

Объединенная двигателестроительная корпорация

Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.

С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении.

Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха.

Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу.

Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз.

При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления.

И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде.

В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают.

Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство.

Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя.

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла.

В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА).

Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода.

Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла.

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли.

В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций.

Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

Галерея

Жидкостные ракетные двигатели дали возможность выйти человеку в космос — на околоземные орбиты. Но скорость истечения реактивной струи в ЖРД не превышает 4,5 км/с, а для полетов на другие планеты нужны десятки километров в секунду. Возможным выходом является использование энергии ядерных реакций.

Практическое создание ядерных ракетных двигателей (ЯРД) вели только СССР и США. В 1955 году в США началась реализация программы «Rover» по разработке ядерного ракетного двигателя для космических кораблей.

Через три года, в 1958 году, проектом стало заниматься НАСА, которое поставило конкретную задачу для кораблей с ЯРД — полет на Луну и Марс.

С этого времени программа стала называться NERVA, что расшифровывается как — «ядерный двигатель для установки на ракеты».

К середине 70-х годов в рамках этой программы предполагалось спроектировать ЯРД с тягой около 30 тонн (для сравнения у ЖРД этого времени характерная тяга была примерно 700 тонн), но со скоростью истечения газов — 8,1 км/с. Однако, в 1973 году программа была закрыта из-за смещения интересов США в сторону космических челноков.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. При этом советские конструкторы, вместо создания полномасштабной модели, стали делать отдельные части ЯРД. А потом эти наработки испытывались во взаимодействии со специально разработанным импульсным графитовым реактором (ИГР).

В 70—80-е годы прошлого века в КБ «Салют», КБ «Химавтоматики» и НПО «Луч» были созданы проекты космических ЯРД РД-0411 и РД-0410 с тягой 40 и 3,6 т соответственно. В течение процесса проектирования были изготовлены реактор, «холодный» двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний.

Принципиальная и конструктивная схемы взрыволета А. Д. Сахарова

В июле 1961 года советский академик Андрей Сахаров сообщил о проекте ядерного взрыволета на совещании ведущих атомщиков в Кремле. Взрыволет имел обычные жидкостные ракетные двигатели для взлета, в космосе же предполагалось взрывать небольшие ядерные заряды.

Возникающие при взрыве продукты деления передавали свой импульс кораблю, заставляя его лететь. Однако 5 августа 1963 года в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.

Это послужило причиной закрытия программы ядерных взрыволетов.

ракетный двигатель РД-0410

Возможно, что разработки ЯРД опережали свое время. Однако они не были слишком преждевременными. Ведь подготовка пилотируемого полета к другим планетам длится несколько десятилетий, и двигательные установки для него должны готовиться заранее.

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Существует три типа ЯРД по виду топлива для реактора:

твердофазный;
жидкофазный;
газофазный.

Наиболее законченным является твердофазный вариант двигателя. На рисунке изображена схема простейшего ЯРД с реактором на твердом ядерном горючем. Рабочее тело располагается во внешнем баке.

С помощью насоса оно подается в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным топливом.

Нагреваясь, оно расширяется и с огромной скоростью вылетает из камеры через сопло.

Жидкофазный — ядерное топливо в активной зоне реактора такого двигателя находится в жидком виде. Тяговые параметры таких двигателей выше, чем у твердофазных, за счет более высокой температуры реакторе.

В газофазных ЯРД топливо (например, уран) и рабочее тело находится в газообразном состоянии (в виде плазмы) и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем. Нагретая до десятков тысяч градусов урановая плазма передает тепло рабочему телу (например, водороду), которое, в свою очередь, будучи нагретым до высоких температур и образует реактивную струю.

Принцип действия ЯРД

По типу ядерной реакции различают радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ядерный двигатель (используется энергия деления ядер).

Интересным вариантом также является импульсный ЯРД — в качестве источника энергии (горючего) предлагается использовать ядерный заряд. Такие установки могут быть внутреннего и внешнего типов.

Основными преимуществами ЯРД являются:

высокий удельный импульс;
значительный энергозапас;
компактность двигательной установки;
возможность получения очень большой тяги — десятки, сотни и тысячи тонн в вакууме.

Основным недостатком является высокая радиоционная опасность двигательной установки:

потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Поэтому запуск ядерного двигателя неприемлем для стартов с поверхности Земли из-за риска радиоактивного загрязнения.

Купить поддоны Дмитров, mail. На сайте tureckie-serialy.online последнее лето онлайн турецкий сериал на русском.

Ионный двигатель

Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.

И в этом то и состоит основная проблема современной космонавтики. Выбросить на орбиту корабль с запасом топлива до луны еще можно, под эту теорию строятся планы создать на луне базу дозаправки «дальнобойных» космических кораблей, летящих например на Марс. Но это все слишком сложно.

А решение проблемы было создано очень давно, еще в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.
В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).
В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:

Во первых чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во вторых чтобы ионы «нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.

Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.

Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте тут,тут и тут) — даже в качестве маршевых.

С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы.

И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.

Так вот, в опытном двигателе, названном «Двухступенчатый с четырьмя решётками» (Dual-Stage 4-Grid — DS4G), построенном по контракту ESA в Австралии, скорость эта достигла рекордных 210 километров в секунду.

Это, к примеру, раз в 60 выше, чем скорость выхлопа у хороших химических двигателей, и в 4-10 раз больше, чем у прежних «ионников».

Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.

А вот информация последних дней.

Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с.

Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.

Именно поэтому на ИД полностью или частично работали и работают такие «дальнобойные» зонды, как Hayabusa, Deep Space One и Dawn. И если вы собираетесь не просто по инерции лететь до далёких небесных тел, но и активно маневрировать близ них, то без таких двигателей не обойтись.

В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)

Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии.

Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!).

В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…

Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор.

Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power. Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях.

Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…

Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны.

В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года.

Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.

Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.

При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.

Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.

Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок.

Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз.

Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…

Разумеется, это не конец всех проблем.

При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .

Подготовлено по материалам Gizmag. и http://lab-37.com

А вы в курсе что в России активно работает над ядерным двигателем для ракет или например о том, что скоро может появится Первый автомобиль с ядерным двигателем Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз. рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=14217

Ионный двигатель для дальнего космоса принцип работы в россии своими руками

Производство двигателей и турбин Производство машин и оборудования Производство транспортных средств и оборудования Прорывные технологии Технология находится в процессе разработки

Ионный двигатель для космических аппаратов.

Технология находится в процессе разработки!

Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей.

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя

Схема ионного двигателя

Преимущества ионного двигателя

Перспективы применения ионных двигателей

Достигнутые технические характеристики ионного двигателя

Применение ионных двигателей

Сущность, строение и принцип работы ионного двигателя:

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество.

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть.

Инертный газ подается в ионизатор (газоразрядную, ионизирующую камеру) ионного двигателя. Сам по себе газ нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Зажигание двигателя инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых в газоразрядную (ионизирующую) камеру. В ионизаторе высокоэнергетические электроны производят ионизацию рабочего тела – газа. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов.

Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток (положительно-заряженной и отрицательно-заряженной). Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против -225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя космический аппарат, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку (нейтрализатор), выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

Использование внешнего магнитного поля в ионном двигателе позволяет повысить энергоэффективность системы.

Схема и устройство ионного двигателя:

Рис. 1. Устройство ионного двигателя

@ https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Преимущества ионного двигателя для космического аппарата:

– создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих типов космических двигателей,

– расходует меньше топлива, чем обычные реактивные двигатели,

– в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах,

– для функционирования ионного двигателя достаточно небольшой электрической мощности – от 150 до 500 Ватт. Двигатели мощностью от 150 до 500 Ватт могут быть установлены на малые космические аппараты,

– низкая рабочая температура в отличии от обычных реактивных двигателей,

– рабочее тело не обязательно должно быть высокой степени чистоты в отличии от обычного топлива в химических ракетах,

– простота сборки и эксплуатации конструкции,

– ионный двигатель позволит увеличить срок эксплуатации космических аппаратов в 2-3 и более раза,

– для путешествия на Марс (и обратно) достаточно ионного двигателя мощностью порядка 50 кВт.

Перспективы применения ионных двигателей:

Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их активной работы (эксплуатации) в 2-3 раза и продлит срок их жизни с 2-3 лет до 5-10 лет.

Достигнутые технические характеристики ионного двигателя. Тяга, скорость, КПД ионного двигателя:

Характеристики:	Значение:
Потребляемая мощность, кВт	1—7
Скорость истечения ионов ионного двигателя, км/с	20—50
Тяга ионного двигателя, мН	20—250
КПД ионного двигателя, %	60—80
Время непрерывной работы, лет	более 3

Применение ионных двигателей:

– управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (в настоящее время),

– главный тяговый двигатель небольшой автоматической космической станции (в настоящее время),

– главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов (в будущем).

Источник: https://cyclowiki.org/wiki/Ионный_двигатель, https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com, https://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html

Коэффициент востребованности
3 422

Ионный двигатель — принцип работы, история и перспективы. Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель

Ионный двигатель: принцип действия

Немного истории и перспективы

Космические двигатели будущего

Создание ионного двигателя

Мы продоожаем рассказывать про виды двигателей
.

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя
состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в , а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели
и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.

Принцип его действия таков:

В ионизатор подается ксенон
, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла

Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.

Тест ионного двигателя для корабля Deep Space

Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200 может дать тягу уже в 5 ньютонов.

Во втором случае, в условиях космоса и его низких температур более интересно выглядит проект корабля с термоядерным реактором на борту, но пока НАСА разрабатывает только ядерный реактор.

Эти исследования проходят в рамках проекта Prometheus. В планах НАСА запустить в солнечную систему ядерный зонд, оснащенный мощными ионными двигателями, питающимися от бортового ядерного реактора.

Напоследок видео испытаний ионного двигателя
VX-200.

Группа изобретений относится к ионному двигателю (ИД) для космического аппарата и способу его эксплуатации. ИД (1) включает в себя ионизационную камеру (2) с высокочастотным генератором (4) ионизирующего электромагнитного поля. Система (7) ускорения носителей заряда имеет экранирующую (8) и ускоряющую (9) решетки. ИД снабжен нейтрализатором (14). Высокие напряжения для системы (7) и, возможно, нейтрализатора (14) получают с помощью первого средства (12), которое отбирает эти напряжения из цепи генератора (4). Высокочастотная мощность может отбираться посредством конденсаторов или катушек. Могут быть предусмотрены средства (22) и (23) для выпрямления и сглаживания напряжений. Техническим результатом группы изобретений является создание конструктивно более простого и недорогого ионного двигателя, эксплуатация которого обеспечивает надежность и минимальные затраты на управление. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ионному двигателю для космического аппарата, включающему в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и подходящую систему для ускорения ионов.

Для космических полетов во все возрастающем объеме используются электрические двигательные установки для того, чтобы обеспечивать тягу спутникам или космическим зондам после их отделения от ракеты-носителя. Специально для коррекции орбиты геостационарных спутников связи (так называемое удержание на орбите) используются электрические двигательные установки. Для этого применяются, прежде всего, ионные двигательные установки и плазменные двигательные установки SPT. Оба типа производят тягу при выбросе ускоренных ионов. Для предотвращения зарядки спутника выбрасываемый ионной поток нейтрализируется. Обычно необходимые для этого электроны обеспечиваются отдельным источником электронов и посредством плазменной связи вводятся в ионный поток.

В ионных двигательных установках с радиочастотной ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT) топливо ионизируется посредством переменного электромагнитного поля и затем ускоряется электростатическим полем для создания тяги. После прохождения нейтрализатора, который снова добавляет электроны в ионный луч и компенсирует созданный положительный пространственный заряд, частицы выбрасываются в форме луча. Для работы такого ионного двигателя требуются подача газа, высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, а также источники высокого напряжения для создания поля, ускоряющего носители заряда. В обычных решетчатых системах для создания электростатического поля для ускорения ионов необходимо координировать напряжения высоковольтного генератора и системы решеток для создания тяги. Для нейтрализатора для нейтрализации положительного ионного луча посредством электронов из источника электронов также необходим по меньшей мере один источник напряжения.

Ионный двигатель отличается простой конструкцией и высокой надежностью. Однако электронные компоненты, необходимые для электропитания описанных конструктивных узлов, являются сложными и дорогостоящими.

Поэтому задачей данного изобретения является разработка ионного двигателя для космического аппарата, прежде всего двигательной установки RIT, которая была бы конструктивно проще и дешевле в изготовлении. Далее, задачей данного изобретения является разработка способа эксплуатации ионного двигателя, прежде всего двигательной установки RIT, с помощью которого можно повысить эксплуатационную надежность и минимизировать затраты на управление.

Данная задача решена посредством ионного двигателя, охарактеризованного в п.1 формулы, и соответствующего способа эксплуатации ионного двигателя. Преимущественные конструктивные выполнения следуют из зависимых пунктов.

Объектом изобретения является ионный двигатель для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, прежде всего газа, и подходящую систему ускорения полученных носителей заряда. Изобретение отличается тем, что ионный двигатель включает в себя первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля.

Предлагаемый в изобретении ионный двигатель представляет собой ионную двигательную установку с высокочастотной, прежде всего радиочастотной, ионизацией (Radio Frequency Ion Thruster, RIT). В качестве топлива, прежде всего, используется газ, например ксенон. Ионный двигатель согласно изобретению имеет преимущество в том, что посредством упрощения системы электропитания можно уменьшить массу ионного двигателя по сравнению с обычными ионными двигателями. Одновременно повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление.

В одном конструктивном выполнении система ускорения носителей заряда содержит первую решетку, прежде всего экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую решетку, прежде всего решетку ускорения. Если решетчатая система имеет больше, чем названные две решетки, то необходимое для дополнительных решеток высокое напряжение с помощью первого средства получают из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений.

В первом конструктивном выполнении первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере один соединенный с высокочастотным генератором конденсатор.

В альтернативном варианте конструктивного выполнения первое средство для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором мощности включает в себя по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы ускорения, в частности решетчатой системы, напряжения. В частности, по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора как первичной обмоткой трансформатора.

Выполненный с возможностью интеграции в высокочастотную систему высоковольтный трансформатор обеспечивает на своем выходе напряжения для ускорительной системы. Также может быть предусмотрено, что по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанный(-ых) от катушки высокочастотного генератора.

Факультативно, может быть предусмотрено второе средство для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора для системы ускорения (решетчатой системы). Прежде всего, предусмотрено выпрямление напряжений для ускорительной системы ионного двигателя, источников ионов, нейтрализаторов или источников электронов.

Далее может оказаться целесообразным предусмотреть третье средство для сглаживания выпрямленных напряжений для ускорительной системы. Система сглаживания может быть выполнена посредством контура из катушек (L), и/или конденсаторов (С), и/или резисторов (R). Прежде всего, для сглаживания могут быть предусмотрены LC-, L-, С- или RLC-контуры. Помимо этого, контур из катушек, и/или конденсаторов, и/или резисторов также предназначен для того, чтобы оптимизировать положение по фазе системы ускорения. В радиочастотной ионной двигательной установке положение по фазе и напряжения следует, предпочтительно, настроить таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку. Последнее, как уже разъяснено в начале, также может обеспечиваться отдельным нейтрализатором.

Для надлежащей эксплуатации ионного двигателя соответствующие компоненты должны обеспечиваться соответствующим напряжением питания. Установка соотношения напряжений между соответствующими напряжениями решетчатой системы и напряжением высокочастотного генератора в соответствии с одним конструктивным выполнением происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или посредством отношения количества витков катушки высокочастотного генератора к количеству витков катушки связи. Посредством высоковольтного каскада можно увеличить создаваемое высокочастотным генератором напряжение. Подобная каскадная схема также известна под термином «генератор подкачки заряда».

Согласно следующему предпочтительному выполнению предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель между высокочастотным генератором и системой ускорения для управления во времени потоком носителей заряда. По меньшей мере один управляемый выключатель может быть выполнен как механический, так и электронный выключатель. Прежде всего, могут быть предусмотрены полупроводниковые коммутаторы.

В следующем выполнении предусмотрено четвертное средство для перемены полярности напряжений на решетчатой системе для экстракции и ускорения ионов и электронов. В данном выполнении можно отказаться от использования, включенного за первым средством выпрямителя, так как полярность на компонентах системы ускорения изменяется относительно друг друга и производится попеременная выработка электронов и ионов. Целесообразно выбирать напряжения на системе ускорения таким образом, чтобы поток ионов предпочтительно был эквивалентен потоку электронов. На фазировку компонентов системы ускорения, как уже разъяснялось, можно воздействовать посредством подходящих RCL-контуров. Дополнительное преимущество данного выполнения состоит в том, что можно отказаться от отдельного нейтрализатора, благодаря чему получается дополнительное упрощение ионного двигателя.

В альтернативном выполнении ионный двигатель имеет один нейтрализатор, при этом необходимое для его работы напряжение отбирается от вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений для создания переменного электромагнитного поля и, прежде всего, обеспечивается первым средством. Ионный двигатель согласно изобретению в данном выполнении обеспечивает отсутствие отдельного источника напряжения для работы нейтрализатора. Благодаря этому создается уже разъясненная упрощенная конструкция при сниженной массе ионной двигательной установки.

Также объектом изобретения является способ эксплуатации ионного двигателя для космического аппарата, который включает в себя высокочастотный генератор для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему с подходящей системой ускорения носителей заряда. Согласно изобретению необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором для создания переменного электромагнитного поля. С этим связаны те же самые преимущества, какие были разъяснены выше в связи с соответствующим изобретению ионным двигателем.

Единственная фигура отображает схематический вид поперечного сечения ионного двигателя согласно изобретению.

Ионный двигатель 1 имеет разрядную камеру 2 (ионизатор). Через непоказанный клапан на впускном отверстии 3 в разрядную камеру 2 для ионизации может подаваться топливо, например ксенон газ. Намотанная вокруг разрядной камеры 2 катушка 5 вместе с высокочастотным генератором 4 для создания переменного электромагнитного поля выполнена внутри разрядной камеры 2 для ионизации топлива. На противолежащем входному отверстию 3 конце разрядной камеры 2 предусмотрено выпускное отверстие 6. К выпускному отверстию 6 примыкает решетчатая система 7, которая в качестве первой решетки 8 имеет экранирующую решетку (якорь границы плазмы), а в качестве второй решетки 9 имеет решетку ускорения. Для работы решетчатой системы 7 первая решетка 8 требует положительного, а вторая решетка 9 — отрицательного высокого напряжения. Положительное напряжение питания снимается с потенциальной клеммы 10 для первой решетки 8, а отрицательное высокое напряжение — с потенциальной клеммы 11 для второй решетки 9.

Показанный на примере выполнения ионный двигатель 1 известным способом имеет нейтрализатор 14. Последний включает в себя камеру 15, через входное отверстие 17 которой в камеру 15 вводится газ, например ксенон. Камера 15 охватывается электродами 16a, 16b так, что на выходном отверстии 18 камеры 15 можно создать эквивалентный ионному пучку 19 пучок 24 электронов для нейтрализации ионного пучка 19. На потенциальные клеммы 25а, 25b электродов 16a, 16b нейтрализатора подается высокое напряжение для питания нейтрализатора.

Путем изменения полярности на решетчатой системе 7 ионного двигателя 1 вместо ионов из разрядной камеры 2 также можно извлекать электроны и ускорять их посредством решетчатой системы 7. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах 10, 11 для обеих фаз извлечения можно установить эквивалентный ионному потоку поток электронов. В этом случае можно отказаться от нейтрализатора 14.

Таким образом, ионный двигатель 1 известным способом включает в себя три функциональные зоны: зону 50 для выработки ионов, зону 52 для ускорения ионов и факультативную зону 54 для нейтрализации ионного луча.

Выработка необходимых для работы ионного двигателя высоких напряжений для решетки 7 и факультативного нейтрализатора 14 происходит не собственными источниками напряжения питания, а посредством первого средства 12, с помощью которого из вырабатываемых высокочастотным генератором 4 токов и/или напряжений получают высокие напряжения, необходимые для решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора. На фигуре получение соответствующих высоких напряжений символизируется связью (стрелка 13) между высокочастотным генератором 4 и первым средством 12.

Получение высоких напряжений и обеспечение их наличия на потенциальных клеммах 10, 11 и факультативных 25а, 25b может происходить, например, таким образом, что часть высокочастотной мощности отбирается посредством конденсаторов (не показано) от соединенной с высокочастотным генератором 4 катушки 5. В таком выполнении приложенное к конденсаторам напряжение посредством второго средства выпрямляется выпрямителем 22 и, факультативно, сглаживается с помощью третьего средства 23. Если необходимое для решеток 8, 9 решетчатой системы 7 напряжение выше, чем отбираемое из высокочастотной цепи напряжение, то в первом средстве 12 может быть предусмотрена каскадная схема, включающая в себя конденсаторы и диоды, которая повышает напряжение до необходимого значения. Соответствующая схема также может быть предусмотрена для электродов 16a, 16b нейтрализатора.

Альтернативно, необходимые для работы решетчатой системы 7 и факультативного нейтрализатора 14 напряжения могут быть обеспечены посредством по меньшей мере одной катушки связи (не показано), с отводов которой снимают необходимые для решетчатой системы напряжения. В одном варианте, например, в высокочастотную систему может быть интегрирован высоковольтный трансформатор, так что на его выходе имеются необходимые для решетчатой системы напряжения. Точно также непосредственно в разрядной камере 2 могут быть размещены одна или несколько катушек связи (не показаны), имеющие один или несколько отводов. Катушка или катушки связи могут быть выполнены таким образом, что они имеют гальваническую развязку с катушкой 5 для ионизации топлива. Предпочтительно катушка или катушки связи размещаются таким образом, что обеспечивается хорошая связь катушки 5 и катушки или катушек для решетчатой системы 7 или факультативным нейтрализатором 14.

Другие вышеописанные средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания напряжений также могут быть предусмотрены при наличии катушек связи. Во всяком случае, при отборе мощности с помощью катушек возможно дальнейшее упрощение приводной системы, так как также можно отказаться и от последующего выпрямления. В этом случае полярность решеток 8, 9 решетчатой системы изменяется друг относительно друга, так что электроны и ионы вырабатываются попеременно. При этом напряжения на решетках 8, 9 следует выбирать таким образом, чтобы, предпочтительно, поток ионов был эквивалентен потоку электронов. При определенных обстоятельствах, необходимо согласование фазировки на якоре границы плазмы 8 и на решетке 9 ускорения, на которую можно воздействовать посредством подходящих схем RCL (не показано).

В общем случае, средства 22 и 23 для выпрямления и сглаживания в ионном двигателе, который работает без нейтрализатора 14, могут отсутствовать. В таком двигателе посредством измерения полярности напряжений на решетках 8, 9 из разрядной камеры 2 извлекаются и ускоряются как электроны, так и ионы. Каскады LC, L, С или RLC могут использоваться для того, чтобы оптимизировать фазировку на решетках 8, 9. Предпочтительно фазировку и напряжения следует регулировать таким образом, чтобы средний ионный поток соответствовал среднему электронному потоку.

В средстве 12 для обеспечения напряжения схематически показаны два выключателя 20, 21, которые могут быть выполнены в виде механических или электронных коммутаторов. Выключатели 20, 21 предназначены для того, чтобы поддерживать экранирующую решетку 8 и/или решетку 9 ускорения в обесточенном состоянии, даже если топливо в разрядной камере 2 ионизируется. При необходимости, для всех решеток решетчатой системы 7 может быть предусмотрен единственный выключатель.

С ростом высокочастотной мощности также растут и напряжения на потенциальных клеммах 10, 11 решеток 8, 9. Это является ионооптически благоприятным, так как повышающееся вместе с увеличенной высокочастотной мощностью увеличение плотности плазмы также требует более высокого напряжения эмиссии.

Предлагаемый в изобретении ионный двигатель имеет преимущество в том, что можно значительно упростить систему электропитания. За счет этого возможна экономия массы. Кроме того, повышается эксплуатационная надежность и минимизируются затраты на управление. Далее, можно реализовать двигатель без отдельного нейтрализатора. Это обеспечивается с помощью средства обеспечения напряжения питания, с помощью которого являются отбираемыми необходимые высокие напряжения из вырабатываемых высокочастотным генератором токов и/или напряжений. Прежде всего, можно обеспечить подачу напряжений питания для решеток высокочастотных ионных двигательных установок, высокочастотных источников ионов, высокочастотных нейтрализаторов или высокочастотных источников электронов.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Ионный двигатель

2 Разрядная камера

3 Впускное отверстие

4 Высокочастотный генератор

5 Катушка высокочастотного генератора

6 Выпускное отверстие

7 Решетчатая система

8 Экранирующая решетка/якорь границы плазмы (первая решетка)

9 Решетка ускорения (вторая решетка)

10 Потенциальная клемма для первой решетки 8

11 Потенциальная клемма для второй решетки 9

12 Средство обеспечения подачи напряжения питания

13 Связь (схематично)

14 Нейтрализатор

16а, 16b Электрод

17 Впускное отверстие

18 Выпускное отверстие

19 Ионный поток

20 Выключатель

21 Выключатель

22 Средство выпрямления

23 Средство сглаживания

24 Электронный поток

25а, 25b Потенциальная клемма

50 Выработка ионов

52 Ускорение ионов

54 Нейтрализация ионного потока

1. Ионный двигатель (1) для космического аппарата, включающий в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, подходящую систему (7) ускорения носителей заряда для создания электростатического поля и первое средство, обеспечивающее получение высоких напряжений, необходимых для системы (7) ускорения носителей заряда, из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем первое средство (12) для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности включает в себя по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечены необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.

2. Ионный двигатель по п.1, в котором система ускорения носителей заряда содержит первую, в основном экранирующую решетку, и по меньшей мере одну вторую, в основном ускоряющую решетку.

3. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи выполнена в виде вторичной обмотки трансформатора, которая связана с катушкой высокочастотного генератора (4) как с первичной обмоткой трансформатора.

4. Ионный двигатель по п.1, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).

5. Ионный двигатель по п.3, в котором по меньшей мере одна катушка связи имеет отвод или несколько отводов, гальванически развязанных от катушки высокочастотного генератора (4).

6. Ионный двигатель по п.1, в котором предусмотрено второе средство (22) для выпрямления напряжений, отбираемых от высокочастотного генератора (4) для системы (7) ускорения.

7. Ионный двигатель по п.6, в котором предусмотрено третье средство (23) для сглаживания выпрямленных напряжений для системы (7) ускорения.

8. Ионный двигатель по п.1, в котором установка соотношения между напряжениями системы (7) ускорения и напряжением высокочастотного генератора (4) происходит посредством высоковольтного каскада, включающего в себя несколько конденсаторов и диодов, и/или требуемым отношением количества витков катушки высокочастотного генератора (4) к количеству витков катушки связи.

9. Ионный двигатель по п.1, в котором для разделения напряжения питания предусмотрен по меньшей мере один управляемый выключатель (20, 21) между высокочастотным генератором (4) и системой (7) ускорения.

10. Ионный двигатель по п.7, в котором предусмотрено четвертое средство для изменения полярности напряжений на системе (7) ускорения для экстракции и ускорения ионов и электронов.

11. Ионный двигатель по п.1, в котором ионный двигатель (1) имеет отдельный нейтрализатор (14), питаемый напряжением, получаемым в основном с помощью первого средства (12), из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля.

12. Способ эксплуатации ионного двигателя (1) для космического аппарата, включающего в себя высокочастотный генератор (4) для создания переменного электромагнитного поля, используемого для ионизации топлива, и решетчатую систему (7) с подходящей системой (8, 9) ускорения носителей заряда, характеризующийся тем, что необходимые для системы ускорения носителей заряда высокие напряжения получают из токов и/или напряжений, вырабатываемых высокочастотным генератором (4) для создания переменного электромагнитного поля, причем для отбора части вырабатываемой высокочастотным генератором (4) мощности используют по меньшей мере один конденсатор, связанный с высокочастотным генератором (4), или по меньшей мере одну соединенную с высокочастотным генератором (4) катушку связи, на катушечных выводах которой обеспечивают необходимые для системы (7) ускорения высокие напряжения.

Похожие патенты:

Изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения.

Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3).

Изобретение относится к пучковым технологиям и может быть использовано для компенсации (нейтрализации) пространственного заряда пучка положительных ионов электроракетных двигателей, в частности, для применения в двигательных установках микро- и наноспутников.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21).

Изобретение относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

EmDrive

Солнечный парус

Электрический парус

Ионный двигатель

Плазменный двигатель

Термоядерный двигатель

Двигатель на антиматерии

Самый мощный ионный двигатель прошёл проверку. Ионный двигатель

Огромный электроракетный двигатель с рекордными характеристиками прошёл наземный тест под нагрузкой, превышающей номинал. Новичок совмещает приличную тягу с экономичностью. А это позволяет надеяться на новый виток в развитии космической отрасли.

Ионный двигатель хорошо известен нам из научно-фантастических романов. Принцип его работы заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. Ионы дают гораздо меньшую тягу, чем химическое топливо, так что такой двигатель не сможет придать ракете даже первую космическую скорость. Но если запустить его в космосе, то он может работать буквально годами напролёт, разгоняя корабль до невиданных скоростей.

В некоторых космических миссиях уже применялись такие двигатели, в том числе в японском корабле «Хаябуса» (2005 год, полёт к астероиду Итокава), а также в американском корабле «Доун», который стартовал в сентябре 2007 года к астероидам Веста и Церера.

Но новая модель двигателя под названием VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) будет в сотни раз мощнее прежних ионных двигателей за счёт использования в процессе разгона ионов аргона не стандартных металлических решёток, а радиочастотного генератора, который не вступает с газом в физический контакт, как решётки.

Ad Astra Rocket Company провела испытания самого мощного на сегодняшний день плазменного ракетного двигателя. VASIMR VX-200 (о котором мы не так давнорассказывали) работал на 201 кВт в вакуумной камере, впервые преодолев отметку в 200 кВт. Тест также подтвердил, что маломасштабный прототип VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket – электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом) способен функционировать на полной мощности. “Это самая мощная плазменная ракета в мире сегодня”, – говорит бывший астронавт и главный исполнительный директор Ad Astra Франклин Ченг-Диаз (Franklin Chang-Diaz).

Компания заключила соглашение с NASA на проведение проверки работоспособности двигателя на Международной космической станции (МКС) в 2013 году. Он будет производить периодические “подталкивания” станции, которая постоянно снижается из-за взаимодействия с атмосферой. В настоящее время такие операции выполняются двигателями малой тяги кораблей, потребляющими около 7,5 тонн ракетного топлива в год. Ченг-Диаз утверждает, что снизив это количество до 0,3 т, VASIMR сэкономит NASA миллионы ежегодно.

Но у Ad Astra есть и более амбициозные планы. Например, миссии на Марс на высокой скорости. 10-МВт или 20-МВт модификация VASIMR сможет доставить людей на красную планету за 39 дней, тогда как у обычных ракет на это уйдёт полгода, если не больше. Чем короче путешествие, тем меньше астронавты будут подвергаться действию космической радиации, являющейся существенным препятствием.

Инновационный двигатель также можно приспособить для большего груза в роботизированных миссиях, хотя скорость полёта снизится. Ченг-Диаз трудился над разработкой концепции VASIMR с 1979 года – задолго до основания бизнеса в 2005 году. Технология подразумевает использование радиоволн для нагревания газов (водорода, аргона, неона), чтобы сформировать высокотемпературную плазму. Магнитные поля выталкивают её из двигателя, благодаря чему создаётся реактивная тяга. Как следствие высокой скорости, которая достигается беспрерывным процессом её наращивания, требуется намного меньше топлива, чем для обычных двигателей. Вдобавок, в конструкции VASIMR нет физического контакта электродов с плазмой, а значит продлевается срок эксплуатации.

Как работает VASIMR в тестовой камере, можно увидеть в этом ролике. Правда, он относится к давнему испытанию, во время которого аппарат потреблял только 179 киловатт. Из них 30 кВт использовались в первой части двигателя для создания плазмы, а 149 — на разогрев и разгон её во второй камере.

Стоит вспомнить американский межпланетный аппарат Dawn, который стартовал осенью 2007-го (к своей первой цели, Весте, он прибудет в 2011 году). Для разгона к поясу астероидов Dawn использует три ионных двигателя, каждый из которых развивает максимальную тягу в 90 миллиньютонов.

“Это идентично весу одного листка из блокнота”, — образно поясняет NASA. В чём, спрашивается, смысл? Дело в том, что “ионники” примерно в 10 раз эффективнее химических ракетных двигателей. В частности, удельный импульс устройств, стоящих на Dawn, составляет 3100 секунд.

Потому 425 килограммов рабочего тела (ксенона) им хватит на 2100 дней работы. Пусть ускорение Dawn невозможно заметить глазу, но общее приращение скорости за всё время миссии составит порядка 10 километров в секунду.

И сам аппарат получился сравнительно лёгким (тонна с четвертью). Потому для его старта с Земли понадобилась ракета меньшего класса (Delta II), а значит — более дешёвая, в сравнении той, что потребовалась бы для подъёма на орбиту гипотетического исследователя астероидов, построенного на основе химических движков.

Удельный импульс установки VX-200 составляет порядка 5000 секунд. Вообще же он может меняться, что и отражено в названии устройства. Больший КПД можно получить при малой тяге, меньший — при максимальной.

Так можно варьировать режим работы маршевого движка в зависимости от целей миссии космического аппарата. Где-то можно позволить себе потратить несколько больше рабочего тела, но сократить время полёта, где-то, напротив, выполнить задание за больший срок, но при минимальном расходе “горючего”, а значит, — минимальном весе аппарата.

Тут надо отметить, что VASIMR претендует на роль некоего промежуточного варианта создания тяги в условиях космоса. Промежуточного между химическими ускорителями (мощными, но прожорливыми) и чрезвычайно миниатюрными электроракетными движками, экономичность которых может быть гораздо выше, чем даже у VX-200, но тяга будет составлять лишь доли грамма.

VASIMR обладает ещё одним преимуществом перед соперниками из стана электроракетных двигателей в целом: в нём плазма ни в одной точке не соприкасается с деталями аппарата, а контактирует только с полями.

Это означает, что устройство от Ad Astra сможет работать по многу месяцев и даже лет без деградации конструкции — то что надо для разгона космических аппаратов на пути в глубины Солнечной системы или коррекции орбиты спутников. У классических ионных ракетных двигателей больной вопрос – эрозия решёток-электродов. У VASIMR же таковых попросту нет.

Ad Astra Rocket строит богатые планы применения VASIMR в ряде проектов. Так, по соглашению с американским космическим агентством в 2013 году лётный вариант VX-200, названный VF-200-1, должен попасть на испытания на МКС. Разрабатываемый ныне аппарат будет базироваться на общем дизайне VX-200, но состоять из двух фактически параллельных движков по 100 киловатт каждый.

(Интересно, что Ad Astra Rocket ведёт переговоры о доставке VF-200-1 на станцию при помощи частного носителя от SpaceX либо Orbital Sciences).

VF-200-1 попробует поднимать орбиту станции, регулярно “проседающую” из-за слабого торможения в остатках атмосферы, имеющихся даже на 400-километровой высоте. VF-200-1 будет включаться на короткое время (несколько минут) эпизодически. А поскольку мощность, забираемая им из сети, очень велика, двигатель должен потреблять энергию, накопленную в специальных аккумуляторах, которые, в свою очередь, во время пауз в работе плазменного ускорителя будут понемногу подзаряжаться от солнечных батарей МКС.

Если тест пройдёт успешно, на такой способ подъёма орбиты, возможно, и переведут станцию. А это обещает солидную экономию. Ведь нынешний вариант подъёма орбиты (при помощи химических движков транспортных кораблей снабжения) означает расход 7,5 тонны горючего в год, в то время как VASIMR потребует на ту же цель 300 килограммов аргона ежегодно. Перспективы же технологии ещё заманчивее.

На основе одного или нескольких VF-200-1, полагает компания, можно построить беспилотный грузовик, который будет переправлять большие грузы с низкой околоземной орбиты на окололунную. Питание эти движки получали бы от солнечных батарей.

Для такого аппарата, скорее всего, потребовалась бы бортовая атомная электростанция — солнечные панели нужной мощности вышли бы просто чудовищно большими.

О том, что электроракетные движки для дальних миссий “просят” ядерную подпитку, специалисты говорят давно. Никаких принципиальных и неразрешимых трудностей в постройке подобного генератора сейчас нет.

Ещё не все вопросы относительно тонкостей работы самого VASIMR сняты. Учёным предстоит повысить полный КПД системы и найти лучший способ избавления от лишнего тепла, рассеиваемого таким движком. Но в целом технология вполне уже подходит к этапу, когда исключительно наземные экспериментальные установки должны породить модификации, предназначенные для отправки на орбиту. Чан-Диаз и его коллеги полагают, что коммерческие версии двигателей типа VASIMR могут появиться на рынке в 2014 году.

Цель работы: изучение истории ионного двигателя, рассмотрение перспектив его использования в ближайшем будущем и проведение расчётов связанных с его применением.

При выполнении работы ставились следующие задачи:
найти, изучить и проанализировать литературу о ионном виде двигателей
составить краткий вводный курс об истории создания, применения, а также принципе работы ионных двигателей
проанализировав результаты осуществлённых космических полётов, провести свои расчёты с целью получения необходимой информации о моделируемом мной полёте
сделать выводы

Была выдвинута гипотеза: ионный двигатель имеет некоторые заметные преимущества перед обычными ракетными двигателями, делающие его использование перспективным.

В работе были использованы следующие методы исследования:
анализ
синтез
моделирование
измерение

Объект исследования: Ионный двигатель

Актуальность темы:

Человек пытается разглядеть и попасть во всё более отдалённые от него
места космоса. И для успешного развития человечества в этой отрасли,
необходимо постоянно улучшать космические аппараты, используя в них
новые технологии, позволяющие оптимизировать расход топлива, увеличить
вместимость и тд. Ионный двигатель является довольно выгодным ввиду
малого расхода топлива, а значит, именно он может в дальнейшем заменить
обычные двигатели и помочь человеку в дальнейшем освоении космоса.

Гипотеза: ионный двигатель имеет некоторые заметные преимущества перед
обычными ракетными двигателями, делающие его использование
перспективным.

Определение

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип
работы, которого основан на создании реактивной тяги на базе
ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом
поле.

Принцип работы

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне
электростатическим полем. При этом благодаря высокому отношению заряда
к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей. Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса, что позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа, но требует больших затрат энергии.
В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при
бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким
образом в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных
электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка
с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.
Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из
2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница
электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на
внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и
выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону
Ньютона.
Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под
небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается для того, чтобы ионы
«нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.

История

Принцип ионного двигателя довольно давно известен и широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе, но для космонавтики стал доступен только в последнее время. В 1960 году был построен первый, функционирующий широко-лучевой ионный электростатический двигатель (создан в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 году — первая успешная суборбитальная демонстрация ионного двигателя (SERT I), тест на выполнимость нейтрализации ионного луча в космосе. В 1970 году — испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели SPT-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, SPT-100 в ряде спутников в 1990-х). В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя 10 ноября 1998). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003. Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1. Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверх-низкую околоземную орбиту высотой всего около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Ближайшие космические программы

В ближайшем будущем, ЕКА (Европейское космическое агенство) совместно с JAXA(Японское космическое агенство) и Роскосмосом планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo(апрель 2018). К планете отправятся две орбитальных станции на одном транспортном модуле Mercury Transfer Module (MTM). BepiColombo будет использовать ионные двигатели, опробованные на модуле Смарт-1.

NASA ведёт проект «Прометей», для которого разрабатывается мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагается, что такие двигатели в количестве восьми штук смогут разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Возможность доставки грузов

Из-за небольшого ускорения, аппараты с ионным двигателем более разумно использовать для межпланетных (или других, на длинные дистанции) перелётов (для чего он уже и не раз использовался).
А если сравнить характеристики обычных и ионного двигателей, на данном помежутке, то выгодность использования второго будет хорошо заметна. Засчёт меньшего количества топлива увеличится полезная масса, уменьшатся денежные расходы на топливо, а сам аппарат доберётся до цели быстрее, развив скорость значительно больше, чем аппараты с другими видами двигателей.

Я провёл свои расчёты, чтобы узнать за какое время аппарат с заданными мной массой и другими техническими характеристиками сможет попасть на Марс, используя ионный двигатель в качестве основного. За основу я взял данные уже называемого мной аппарата Dawn и некоторые данные его полёта.

В качестве двигателя в расчётах я использовал ксеноновый ионный двигатель аппарата Dawn, разработанный на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1 с тягой 30 мН и удельным импульсом 3100 с.

Используя примерную схему полёта и проведения манёвров, я рассчитал, что общая длина траектории равна ~1 млрд км.

Используя данные полёта я узнал, что на перелёт от Земли до Весты одним двигателем было израсходовано ~275 кг ксенона, далее соотнеся длины траекторий полёта на Марс и Весту, я вычислил, что для одного двигателя будет необходимо лишь 100 кг ксенона.

Я решил установить на предполагаемый аппарат 3 двигателя с данными характеристиками, в результате чего масса топлива с небольшим запасом должна будет составлять ~325 кг
Назначемнием данного аппарата я выбрал перевоз грузов с Земли на Марс в один конец. При таких условиях масса грузовика будет состоять из: 325 кг топлива, 250 кг программной аппаратуры, и некоторой массы перевозимого груза. Для примера я взял 600 кг, 1 т и 5т.
По формулам равноускоренного движения я нашёл, что аппарат достигнет цели лишь спустя 3,5 года, 4,5 года и около 10 лет при конечной скорости 17, 13 и 6 км/с, которую необходимо будет уменьшать при приближении к Марсу. В итоге я получил довольно слабый невыгодный результат, однако для 3 двигателей с такой маленькой тягой — этот результат является неплохим. В будущем, я возьму за основу данные более мощных, современных и совершенных ионных двигателей или создам и вычислю характеристики своей модели.

— Работа линейных ускорителей элементарных частиц требует много энергии. Единственная существующая на сегодняшний день технология, позволяющая получить необходимое количество энергии за требуемое время, — это ядерный реактор на борту корабля. Однако в таком случае аппарат перестаёт быть полностью безопасным.

Ионный двигатель ускоряется медленно, поэтому его нельзя использовать для вывода космического корабля на орбиту Земли. Он функционален только для корабля, уже находящегося в космосе.

Подведение итогов

Я считаю, что в настоящее время, ионный двигатель — одно из действительно самых перспективных приспособлений для передвижения в космосе, имеющее целый ряд преимуществ перед прочими видами двигателей.

Учёные уже сейчас снабжают спутники и небольшие космические станции, исследующие другие планеты ионными двигателями как для стабилизации аппаратов в пространстве, так и в роли основного двигателя.

Ввиду своих специфических преимуществ, возможно, в будущем, именно ионный двигатель будет передвигать огромные межпланетные и межгалактические звездолёты со множеством людей на борту.

Заключение

Цели и задачи, поставленные в проекте, выполнены. Я изучил принцип работы ионного двигателя, рассмотрел плюсы и минусы его использования и узнал об основных космических программах с участием данного вида двигателя. В перспективе работу можно усовершенствовать, проведя более точные расчёты и в других возможных сферах использования ионного двигателя, опираясь на другие официальные данные, а также собрать действующую модель ионного двигателя.

НАСА завершило начатые в июне 2005 году испытания двигательной установки, которая работает на ионизированном газе. Теперь ею можно оснащать космические аппараты, разгоняя их до невиданных ранее скоростей.

Идут испытания ксенонового двигателя нового поколения. (Фото NASA.)

Часто фигурирующие в научной фантастике ионные двигатели применялись на практике ещё в 70-е годы. Тяга в них создаётся за счёт разгона ионизированного газа в электростатическом поле.

Преимуществом подобных ДУ по сравнению с традиционными химическими решениями является высокая эффективность, а именно возможность разогнать аппарат до десятков километров в секунду при малом расходе топлива. Правда, это происходит уже в космическом пространстве при долгой работе ионного двигателя: его стартовая тяга невелика. Поэтому в качестве основной системы, приводящей в движение космический корабль, эту схему начали использовать совсем недавно.

Пионером ионного движения стал американский аппарат Deep Space 1, запущенный в 1998 году. За ним последовали европейский и японский зонды, а последним крупным проектом на сегодня стала автоматическая межпланетная станция Dawn, отправленная НАСА изучать астероид Весту и карликовую планету Цереру.

Ионный двигатель Dawn и стал образцом для создания ксеноновой системы NASA»s Evolutionary Xenon Thruster (NEXT). Разработчики из Исследовательского центра имени Гленна и компании Aerojet смоделировали самые разнообразные миссии, в которых может быть задействована такая ДУ.

С 2005 года NEXT проработал 35,5 тыс. часов, что на 5 тыс. больше предыдущего рекорда. На эксперименты ушло 600 кг ксенона. На основе тестовых моделей инженеры сконструировали двигательную установку из нескольких ионных двигателей, срок службы которых превысит 6 лет, и теперь НАСА остаётся лишь выбрать, в каких миссиях будет удобнее эксплуатировать разработку. Быть может, тут и пригодится космическая программа, предложенная Национальной академией наук США на ближайшую декаду?

Источник: Компьютерра–Онлайн

Ионный двигатель

Ионный двигатель — разновидность электрического ракетного двигателя. Его рабочим телом является ионизированный газ (аргон, ксенон, цезий…).

Принцип действия

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с по сравнению с 3-4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка десятых долей ньютона). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в открытом космосе, при достаточно долгой работе двигателя есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

В существующих реализациях для поддержки работы двигателя используются солнечные батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для этих целей иногда используются ядерные установки.

В 1970 году — испытание на длительную работу ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). С 1970-х годов ионные двигатели на эффекте Холла использовались в СССР в качестве навигационных двигателей (двигатели SPT-60 использовались в 1970-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 1980-х, SPT-100 в ряде спутников в 1990-х).

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя 10 ноября 1998). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003, и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду в мае 2003.

Следующим аппаратом NASA, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначается для изучения Весты и Цереры, и несет три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1.
Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверх-низкую околоземную орбиту высотой всего около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.

Перспективы

ЕКА планирует использовать ионный двигатель в меркурианской миссии BepiColombo. Он будет базироваться на двигателе, основанном на Смарт-1, но станет более мощным (запуск намечен на 2011-2012).
NASA ведёт проект «Прометей», для которого разрабатывается мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагается, что такие двигатели в количестве восьми штук смогут разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей».

Статья в Компьютерре
Об использовании ядерных реакторов для ионных двигателей (Мембрана.ру)
BepiColombo на сайте ЕКА
Проект «Прометей» на сайте НАСА
АМС Dawn с ионным двигателем стартовала 25 сентября 2007 г.

Фотонный и ионный двигатели

От фантастики к реальности

ФОТОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — реактивный двигатель, тяга которого создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения или фотонов. Главным преимуществом такого двигателя является максимально-возможная в рамках релятивистской механики скорость истечения, равная скорости света в вакууме. Для ракетного аппарата это единственный широко известный способ достичь сколь-нибудь значительной доли световой скорости при разумных значениях числа Циолковского, характеризующего соотношение масс заправленной и пустой ракеты. Необходимо отметить, однако, что и в этом случае речь идет о числе Z порядка нескольких десятков — сотен, при технически реализованных значениях порядка 10 для многоступенчатых ракет. Главным недостатком фотонного двигателя является низкий КПД цепочки преобразования энергии от первичного источника до струи фотонов. Применение реакции аннигиляции для прямого получения оптических и гамма-квантов не намного снижает остроту проблемы, так как необходимо учитывать потери на хранение антивещества (не говоря о его производстве) и трудности фокусировки получаемого излучения. Кроме того, как более реальные, рассматривались использование в качестве источника фотонов термоядерной плазмы (в том числе и для генерации лазерного излучения) и использование электромагнитных квантов более длинноволнового диапазона («радиодвигатель»). В первом случае остаются пока нерешенными проблемы генерации и подержания в устойчивом состоянии плазмы с необходимыми параметрами. «Радиодвигатель» значительно упрощает задачу фокусировки «реактивной струи», но резко снижает КПД движительного комплекса.

Фотонный двигатель: космический прорыв

Эффект эмиссии пыли под воздействием светового излучения позволит создать интересный и перспективный вид космических движителей для полетов к другим планетам Солнечной системы. Под воздействием света и тепла частицы пыли бросают вызов гравитации и устремляются вверх. Данный эффект, сыгравший не последнюю роль в формировании планет и астероидов, может найти также практическое применение в устройствах для удаления пыли, а также в двигателях марсианских зондов и в создании космического паруса нового типа.
При воздействии на слой пыли красным лазерным излучением наблюдается фонтанирующий выброс частиц, напоминающий извержение крошечного вулкана. Всесторонне изучив это явление, ученые Герхард Вурм (Gerhard Wurm) и Оливер Краус (Oliver Krauss) из университета Мюнстера пришли к выводу, что его возникновение связано с фотофорезом и «парниковым эффектом» в твердом теле, сообщает PhysOrg.
Фотофорез — или движение частиц под воздействием света — базируется на давно известном эффекте, называемом термофорезом, то есть движении частиц под воздействием тепла. В средах с температурными градиентами частицы будут перемещаться из более горячей области в менее горячую. Когда источником тепла служит энергия поглощенного света, такой процесс называется фотофорезом.

Фотонный двигатель — двигатель, тяга которого созда-ется за счет истечения квантов э/магнитного излу-чения или фотонов. Выброс частиц порошка графита (на вставке — «извержение» частиц стеклоуглерода).
Фотонный двигатель — это реальность?

В дополнение к поверхностному температурному градиенту «парниковый эффект» твердого тела также играет роль в извержениях пыли. Парниковый эффект возникает вследствие того, что лазерный луч сильнее всего нагревает частицы пыли, находящиеся немного глубже, чем поверхностные слои (по крайней мере на глубине 100 мкм, что составляет несколько десятков слоев частиц).
Ученые вычислили, что для освобождения одной сферической частицы размером в 1 мкм требуется сила приблизительно равная 10-7 Н. «Мы заметили, что частицы поднимаются в среднем на высоту 5 см, — сообщает д-р Вурм. — Высоту можно увеличить до 10 см, но и это еще не предел. Предел, вероятно, зависит от распределения и размеров частиц, силы их взаимного сцепления и мощности лазерного луча».
При мощности 50 мВт излучение проникает в слой пыли на глубину до нескольких миллиметров. Температура имеет тенденцию уменьшаться с увеличением глубины, но фактически она достигает максимума не у поверхности, а на глубине 100 мкм. Таким образом, создается обратный температурный градиент около поверхности, который и вызывает извержение частиц пыли. В ходе экспериментов было также обнаружено, что в течение нескольких десятков секунд после выключения лазера точка максимального градиента температур смешается глубже за счет быстрого остывания поверхности, что еще больше увеличивает силу фотофореза.
Фотофорез лучше всего наблюдать при низком давлении. Эксперименты проводились при давлении 10 миллибар, что составляет примерно 0,01 нормального атмосферного давления Земли, поэтому действие фотофореза на земную пыль незначительно. Однако на ранних стадиях образования планет и звезд фотофорез при малых давлениях, вероятно, играл значительную роль в возникновении газопылевых дисков, которые в свою очередь привели к формированию астероидов и прочих космических объектов пояса Койпера.
Ученые считают, что в будущем фотофорез может найти практическое применение в условиях разреженной атмосферы Марса. Например, можно использовать данную технологию на автоматических исследовательских станциях для удаления пыли с блоков солнечных элементов и линз оптических приборов. Кроме того, ученые планируют создать солнечный парус, который использовал бы силу фотофореза вместо лучевого давления. Такой парус, напоминающий рыболовную сеть и работающий на основе отрицательного фотофореза, по оценкам физиков, может приводить в движение небольшие зонды. Парус размером 10×10 м способен нести полезный груз массой в несколько десятков килограммов только за счет «пассивного» излучения Солнца.

Ионный двигатель: космический прорыв

ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — в субботу 30.09.2003 с космодрома Куру ракетой-носителем «Ариан 5» была успешно выведена в космическое пространство исследовательская станция европейского космического агентства SMART 1. Спутник создан по заказу ESA (European Space Agency, Европейское космическое агентство) Шведской космической корпорацией при участии почти 30 субподрядчиков из 11 европейских стран и США. Общая стоимость проекта составила 110 млн. евро.
SMART 1 — первая автоматическая станция ESA для исследования Луны. В то же время, это уникальная исследовательская станция нового типа, первая в новой программе ESA под названием Small Missions for Advanced Research in Technology. В ходе выполнения программы запланирована апробация целого ряда новых технологий, например, связь в Ка-диапазоне и лазерная связь, автономная навигация и многое другое.
При достаточно большом количестве аппаратуры, SMART 1 отличается малым весом (370 кг, в том числе научная аппаратура — 19 кг) и компактностью. Со сложенными солнечными батареями он представляет собой прямоугольник размером в метр. Стоимость SMART 1 примерно раз в пять меньше, чем типичной межпланетной станции ESA. Но самая главная особенность нового космического аппарата в том, что впервые в истории космонавтики ионный двигатель будет использован в качестве основного. В планах ESA — еще два аппарата, оснащенных ионной двигательной установкой. Это BepiColombo для исследования Меркурия и Solar Orbiter — для изучения Солнца.
Установленный на SMART 1 ионный двигатель потребляет 1350 Ватт электроэнергии, вырабатываемой солнечными батареями, и развивает тягу в 0,07 Ньютон, что примерно соответствует весу почтовой открытки. Рабочим веществом служит ксенон (запас топлива 82 кг). При этом для выхода на эллиптическую полярную орбиту вокруг Луны станции потребовалось 16 месяцев. Выведение SMART 1 на расчетную орбиту представло собой сложный многоступенчатый процесс, состоящий из этапов.

Строго говоря, ионные двигатели уже устанавливались на космических аппаратах — в последние годы, в частности, на исследовательской станции НАСА Deep Space 1 (DS 1) и на экспериментальном геостационарном спутнике связи ESA Artemis. В последнем случае, благодаря наличию на борту ионных двигателей, удалось спасти казавшийся окончательно утраченным спутник ценой в миллионы долларов.
Нештатная работа верхней ступени ракеты-носителя Ariane 5, выводившей на орбиту спутник Artemis, привела к тому, что орбита Artemis оказалась значительно ниже расчетной. Обычно это приводит к потере спутника. Если он несет в себе угрозу другим космическим аппаратам, его топят (тяжелые аппараты) или «сжигают» в атмосфере. Но Artemis избежал этой печальной участи.
Благодаря экстренно принятым мерам и ценой расходования практически всего запаса химического топлива, имевшегося на борту, спутник удалось перевести на круговую орбиту высотой 31 тыс. км. Но после этого надо было перевести Artemis на расчетную геостационарную (высотой около 36 тыс. км). Тогда и было принято решение воспользоваться четырьмя ионными двигателями, установленными на борту попарно. Они изначально предназначались для управления ориентацией (наклоном) спутника. Что бы осуществить переход вектор тяги двигателей был направлен перпендикулярно плоскости орбиты. Но для спасения аппарата ему необходимо было придать импульс в плоскости орбиты, и таким образом перевести на более высокую геостационарную орбиту. Artemis требовалось повернуть на 90 градусов по отношению к его нормальной ориентации.
Сложнейшая спасательная операция, потребовала выработки «на ходу» новой стратегии действий, новых режимов управления спутником и функционирования бортовой аппаратуры. Потребовалось модифицировать 20% всего бортового программного обеспечения. И все же операция прошла весьма успешно. О ее сложности свидетельствует тот факт, что только для перепрограммирования бортовой системы управления потребовалось подгрузить с Земли модифицированные блоки программного обеспечения общим объемом в 15 тыс. слов. Это была самая масштабная операция по перепрограммированию с Земли телекоммуникационного спутника.
Несмотря на скромную тягу (всего 15 миллиньютон) Artemis стал «карабкаться» на расчетную орбиту, поднимаясь на 15 км в день. Вся спасательная операция заняла 18 месяцев. 31 января 2003 года Artemis оказался именно там, где ему следовало бы оказаться еще полтора года назад. Первая в мире спасательная операция, исход которой целиком зависел от надежности ионных двигателей и слаженных действий людей на Земле, прошла успешно. Спутник, считавшийся безнадежно потерянным, приступил к нормальной работе.

По своей конструкции основной двигатель SMART 1 существенно отличается от двигателей, установленных на DS 1 и на Artemis. В случае с последними двумя аппаратами, для ускорения ионов использовалась решетка с поданным на нее потенциалом (так называемый gridded ion engine). В отличие от них SMART 1 оснащен ионным двигателем Холла, который существенно отличается по своей конструкции. Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Плазма между анодом и катодом ионного двигателя.

Фотография: Joao Duarte / eLab hackerspace

Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.

При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.

Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.

На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.

В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки — анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.

Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.

Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком — микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.

Создание ионного двигателя: модель I | by Chloe Wang

Одной из многих технологий, рассматриваемых для будущих программ космических полетов, являются ионные двигатели , которые являются частью двигательной установки, известной как электрическая.

Они особенно популярны благодаря своей высокой эффективности и длительному времени разгона . В отличие от химических двигательных установок, у которых топлива достаточно только для запуска ракеты с орбиты, у ионных двигателей есть топливо, которого хватит на много лет. Постоянное выделение этого топлива по инерции позволяет им со временем разгонять тела до чрезвычайно высоких скоростей.

Короче говоря, они работают за счет ионизации топлива (обычно ксенона) и производства плазмы, которой можно управлять электрическими и магнитными полями для создания тяги . Если вам нужно подробное объяснение работы ионного двигателя, вы можете прочитать «2. 1 Базовая работа ионного двигателя » из моей обзорной статьи о двигателях Холла.

Я решил, что хочу построить ионный двигатель — или хотя бы продемонстрировать концепцию. Он определенно не достоин ракетного корабля, но использует аналогичные механизмы, чтобы показать, как можно создать ионную тягу/ветер.

Для расходных материалов я использовал:

Батарейный контейнер от фонарика (у меня вмещались 3 батарейки ААА)
Повышающий силовой модуль (DC6–12V до 1000kV)
3 металлических винта (длиной ~6 см) идеально)
3 алюминиевые банки (у меня были банки Brisk Tea)
Медная проволока
Зажим типа «крокодил»
Изолента (или термоусадки)
Зажим для переплета
Чек (или другой тип тонкой бумаги)

90 (Я использовал Ender 3 V2)+ нить

Горячий клей
Двусторонний скотч

3D-печать Детали

Сначала я начал с проектирования компонентов, которые будут удерживать двигатель, в TinkerCAD , простой в использовании программе для создания 3D-печати.

Платформа A удерживает подставку и держатель банки.
Платформа B содержит держатель винта и имеет крышку. Эта платформа приклеивается к платформе А при печати.
Подставка предназначена для прикрепления чека с помощью клипсы.
Держатель винта входит в плоский компонент, который можно перемещать на платформе B. Это позволяет мне регулировать расстояние между винтами и банками.
Крышка платформы устанавливается на правую платформу после установки держателя винтов.
Держатель банок вмещает 3 банки.

Профессиональный совет: При проектировании компонентов, подходящих друг к другу, убедитесь, что часть, входящая в отверстие, немного меньше самого отверстия. Я сделал ошибку, сделав их одного размера, и мне пришлось несколько раз перепечатывать некоторые компоненты.

Я напечатал эти компоненты в течение нескольких дней (обычно их печать занимала от 5 до 13 часов) с использованием белого PLA-филамента . Я использовал Ultimaker Cura в качестве слайсера с обычными настройками и заполнением 10% . Если вы хотите печатать компоненты быстрее, я напечатал крышку и держатель банки со скоростью 150 мм/с вместо 50 мм/с, и все равно получилось нормально.

Сборка

Аккумуляторный контейнер служил источником питания и был (вручную) подключен к силовому модулю через зеленый и красный провода для достижения большего напряжения (приблизительно 4,5 вольта до 1000 кВ). Я закрепил модуль питания и батарейный отсек на платформе B с помощью двустороннего скотча.

Это тот же силовой модуль, который используется в электрошокерах, поэтому при его использовании нужно соблюдать осторожность. Я убедился, что всякий раз, когда я перемещаю компоненты, контейнер батареи находится далеко от зеленого и красного проводов, которые соединяют его с модулем питания. Я также старался не прикасаться к токопроводящим компонентам (проводка, гвозди, металл и т. д.) во время работы.

Один провод на противоположном конце модуля питания был соединен с медным проводом с помощью изоленты. Затем этот медный провод был намотан на три винта в держателе винта. Обмотка медного провода вокруг трех винтов позволила всем им получить напряжение.

Совет: Я бы рекомендовал покрыть винты медью, чтобы сделать их более токопроводящими. Вы можете сделать это, положив лимонный сок на сумму лимона + 2 щепотки соли + 20 пенни в миску с винтами. Через несколько часов ваши винты станут темнее/медного цвета. (У меня кончились лимоны, поэтому я не смог омеднить свои винты)

Банки были установлены на держателе в стопку без использования клея (они балансировали друг на друге). Затем я подключил другой провод от силового модуля к одной из банок с помощью зажима-крокодила и изоленты.

Последняя часть — установка подставки. Затем я прикрепил к нему квитанцию с помощью скрепки. Движение этой бумаги будет означать производство ионного ветра.

Полностью собранный ионный двигатель должен выглядеть примерно так:

Эта модель демонстрирует, как можно создать ионный ветер с помощью основных механизмов, используемых в ионных двигателях.

Подача напряжения на винты заставляет их действовать как положительно заряженные аноды , при этом подавая напряжение на банки заставляет их действовать как отрицательно заряженные катоды . Это генерирует электрическое поле .

Из винтов получаются хорошие аноды, потому что они острые, а из банок хорошие катоды, потому что они круглые. Острие анода позволяет зарядам упаковываться вместе , делая электрическое поле сильнее вокруг этого места. Фактически, он становится достаточно сильным, чтобы вырвать отрицательно заряженных электрона из окружающего воздуха, превратив их в положительно заряженные ионы.

Теперь эти положительно заряженные ионы отталкиваются от положительно заряженных анодов (винтов) и притягиваются к отрицательно заряженным катодам (банки). Двигаясь к катодам, они также сталкиваются и выбивают электроны из других молекул воздуха, создавая больше ионов , которые движутся к катодам. Эти ионы движутся через катоды в виде ионного ветра, который вы можете видеть, толкая квитанцию, когда работает ионный двигатель.

Вот несколько видеороликов о работе ионного двигателя. Вы можете видеть, что я вручную подключаю провода силового модуля к контейнеру батареи, хотя вы можете спроектировать переключатель, если хотите. На третьем видео вы можете увидеть плазму на кончиках винтов, когда молекулы воздуха ионизируются.

Эта модель не идеальна, и я определенно думаю, что есть несколько вещей, которые можно было бы улучшить, например:

Винты можно было бы покрыть медью и лучше центрировать. Для лучшего центрирования винтов потребуются некоторые изменения оригинальной конструкции держателя винтов.
Некоторые части напечатанных на 3D-принтере компонентов можно было уменьшить, чтобы сэкономить время печати и нить.
В силовую часть этой модели можно было добавить выключатель, чтобы провода от силового модуля не нужно было вручную присоединять к контейнеру батареи. Это также сделало бы использование этой модели более безопасным.

В целом, тем не менее, я доволен продуктом, так как он успешно производит ионный ветер и даже видимую плазму.

Есть отзывы или вопросы? Отправьте мне письмо по адресу [email protected], и я буду рад ответить!

Вы можете узнать больше о том, чем я занимаюсь, в моих ежемесячных информационных бюллетенях. Зарегистрируйтесь здесь .

ракет — Как измерить тягу экспериментального ионного двигателя

спросил
3 года, 7 месяцев назад

Изменено
1 год, 2 месяца назад

Просмотрено
743 раза

$\begingroup$

У меня есть научный проект о том, как различные виды топлива влияют на тягу ионного двигателя, поэтому у меня есть 2 вопроса:
1 Как я могу измерить тягу самодельного ионного двигателя (приветствуется техника или инструмент, который мне нужен, чтобы купить любое решение)

2 есть ли способ для меня испытать в воздухе другие пропелленты, кроме N2 (где взять газы и установку для их испытаний)

Приветствуются любые другие предложения по повышению ценности моего исследования
Спасибо

Тестовый ионный двигатель будет выглядеть примерно так, как показано на https://makezine. com/projects/ionic-thruster/

ракеты
ионный двигатель

$\endgroup$

$\begingroup$

, так как вы делаете это для научного проекта, я бы порекомендовал вам прочитать эту статью, в которой обобщаются стандартные методы, используемые при измерении тяги электрических движителей.

https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.B35564

https://www.researchgate.net/publication/316444395_Recommended_Practice_for_Thrust_Measurement_in_Electric_Propulsion_Testing

Тяга будет произведена вашим двигателем и очень низкое, кроме того, отношение тяги к весу (двигателя) будет небольшим, чтобы установить двигатель непосредственно на какие-либо весы. Вам понадобится какой-то баланс тяги, если вы выберете прямое измерение тяги. Или отбойная пластина и механизм калибровки тоже должны работать. Все зависит от того, насколько точно вы хотите, чтобы измерения были.

Если вы хотите поэкспериментировать с различными видами топлива, вам придется поместить все в камеру, желательно в вакуумный бак, чтобы точно различать тягу, создаваемую топливом (по сравнению с воздухом/азотом). Большинство химических лабораторий будут иметь доступ к этим газам, я рекомендую попробовать инертные газы, такие как аргон, они являются выбором предприятий EP.

$\endgroup$

$\begingroup$

Я знаю ваш первый вопрос:
Чтобы измерить тягу любого двигателя, вам придется построить стенд для испытания тяги. Посмотрите на людей, увлекающихся радиоуправлением, чтобы узнать, как построить один из них, они проводят много испытаний пропеллеров и двигателей.

Типичный стенд для испытания тяги винта будет выглядеть примерно так:

Стенд для испытания тяги Оскара Ляна

Когда винт выталкивает воздух, плечо рычага давит на шкалу, по которой можно прочесть силу.

Если создаваемая вами тяга слишком мала для измерения на такой установке, вы можете повесить подруливающее устройство на маятник и измерить отклонение для расчета силы. Если это не для вас, вы можете найти ползунок без трения (на магнитной или воздушной подушке) и измерить ускорение подруливающего устройства, чтобы определить силу. Такие слайды есть во многих школах и университетах на физических факультетах.

$\endgroup$

$\begingroup$

Поскольку тяга будет незначительной, лучшим вариантом, вероятно, будет торсионный груз. Турник, подвешенный за середину на проволоке, на одном конце двигательная установка, на другом противовес, чтобы штанга оставалась горизонтальной. Небольшое зеркальце, прикрепленное к грузу, и лазерный луч (просто лазерная указка), падающий на него и отражающийся на шкале, расположенной на значительном расстоянии от установки. Когда буровая установка поворачивается под действием тяги двигателя (закручивая проволоку), точка отражения лазера перемещается по шкале, указывая угол отклонения.

Калибровка установки будет довольно сложной, так как вам нужно будет приложить известную силу, сравнимую с силой двигателя, и измерить отклонение. Одним из вариантов может быть кусок нити небольшого веса (<1 грамма), использующий ролик для преобразования вертикального натяжения в горизонтальное. И, конечно же, никаких воздушных потоков... даже вашего дыхания достаточно, чтобы полностью изменить измерения.

$\endgroup$

$\begingroup$

Аналитические весы измеряют с точностью порядка 0,1 мг или около того, когда сам двигатель может весить около ста граммов. Направляйте выхлоп прямо вверх и прибавляйте вес при включенном и выключенном питании — разница в тяге. С цифровыми весами вы, вероятно, сможете измерять дистанционно, вдали от высокого напряжения. Не знаю, может быть, некоторые могли бы работать в вакууме.

https://www.mt.com/ch/en/home/products/Laboratory_Weighing_Solutions/Analytical.html, например.

$\endgroup$

Твой ответ

Зарегистрируйтесь или войдите

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Обязательно, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

Как вы делаете электрические силовые установки в своем подвале?

Как вы делаете электрические двигательные установки в своем подвале?

Двигательные установки для космических кораблей бывают различных форм. Одной из систем, которая вызывает растущий интерес, является электрическая силовая установка. По сравнению с химической тягой электрическая тяга обеспечивает меньшую тягу, но в течение более длительного периода времени. Это делает электрические двигательные установки идеальными для самых разных целей — от исследования дальнего космоса до удержания станций вокруг Земли. Как правило, считается, что разработка электрических силовых установок является областью крупных, хорошо финансируемых программ НИОКР. Однако они также могут разрабатываться отдельными технологами в качестве хобби. Чтобы узнать больше, мы поговорили с Майклом Бретти, который рассказывает о своих домашних разработках электрических двигательных установок на своем веб-сайте Applied Ion Systems.

Можете ли вы объяснить, почему вас интересуют электрические двигательные установки для наноспутников и пикоспутников?

Мой интерес к электрическим силовым установкам проистекает из того факта, что электрическая силовая установка является междисциплинарной областью: она действительно объединяет практически все области и дисциплины, которые я уже люблю изучать, в одну область. Я только недавно сильно увлекся электрическими двигателями и действительно почти случайно. Есть много вещей, которые в конечном итоге привели к тому, что это та область, на которой я действительно решил сосредоточиться и заниматься.

Ключевой момент, который действительно привел меня на этот путь, начался еще в старшей школе, когда я начал возиться с высоким напряжением. Высоковольтные генераторы с таймером 555, управляющим катушками зажигания и обратноходовыми преобразователями, умножители напряжения Кокрофта-Уолтона, искровые промежутки, создание озона, вытягивание дуги из трансформаторов микроволновых печей — все это действительно зацепило меня в области высоких напряжений. Двигаясь дальше, я обнаружил, что существуют целые области применения высокого напряжения, помимо создания дуг и искр, что привело меня к открытию целой области плазменной инженерии. Все, от тепловых до нетепловых, от атмосферных до вакуумных, от постоянного тока до ВЧ – вся область была абсолютно захватывающей и разнообразной. Вы можете найти применение этой технологии практически в любой области и дисциплине. Было что-то фундаментально эпическое в способности контролировать и манипулировать четвертым состоянием материи и использовать его для стольких практических применений!

В какой-то момент среди моих общих интересов и увлечений я также заинтересовался силовыми установками, увидев в Интернете удивительные хобби-проекты, посвященные импульсным реактивным двигателям, небольшим гибридным ракетам и турбореактивным двигателям. Эти меня совершенно очаровали. Удивительно, что можно было самому построить реактивный двигатель дома! К сожалению, как импульсные, так и турбореактивные двигатели требовали доступа к сварке и некоторой специальной обработке (о которой у меня не было ни ресурсов, ни знаний в то время), хотя я пытался (безуспешно) построить бессварочный импульсный реактивный двигатель с обычными трубными фитингами и оборудованием. . Тем не менее, я смог побаловаться со стендовыми испытаниями небольших гибридных ракет, начав сначала с простых двигателей, сделанных из латунных фитингов, небольших одноразовых кислородных баллонов и полиэтиленовых трубок для топлива из хозяйственного магазина. Позже я экспериментировал с дегтярным топливом и форсунками, отлитыми из цемента. Ничего даже отдаленно близкого к полету, если быть точным — просто простые стендовые испытания для изучения основ технологии.

По мере того, как я продвигался в своих собственных исследованиях этих различных систем для развлечения, я начал изучать области, связанные с физикой пучков частиц, импульсными энергетическими системами и генерацией рентгеновского излучения. Это еще больше расширило круг моих интересов. Естественно, появились электрические двигатели, особенно с ионными двигателями, связанными с физикой ионных пучков, что мне показалось интересным, хотя и не моим основным направлением. Я все еще экспериментировал с высоковольтными проектами, но в колледже и даже через несколько лет после выпуска у меня не было средств, чтобы заняться проектами, связанными с вакуумом.

Однако несколько лет назад я решил стиснуть зубы и всерьез заняться разработкой и запуском вакуумной системы. Я действительно хотел попасть в эти проекты и решил, что мне просто нужно начать. Я потратил год на создание большой библиотеки ресурсов и стал экспертом в области вакуумной техники, пройдя бесчисленное количество итераций проектирования, обратившись в как можно больше лабораторий за запасным вакуумным оборудованием и прочесывая eBay в поисках сделок. Я смог получить некоторое бесплатное оборудование благодаря друзьям и связям, которые я установил, которые также занимались проектами в области высокого вакуума. Я также терпеливо приобретал детали на eBay и оптимизировал конструкцию своей системы, исходя из того, какие детали я мог найти.

Поскольку это потребовало таких больших затрат времени и усилий, и я рассчитывал работать над этим бесконечно долго, я также запустил веб-сайт Applied Ion Systems , чтобы документировать эти проекты и внести свой вклад в сообщество производителей, используя свой опыт. Я также присоединился к Твиттеру, где начал писать о прогрессе этих проектов.

Изначально я намеревался работать над мощным импульсным электронно-лучевым комплексом старого типа. У меня были готовы все чертежи, планы и расчеты. К сожалению, существовала проблема защиты от интенсивного рентгеновского излучения. Это, а также сборка полной системы с многокаскадным драйвером импульсной мощности, лучевой системой и самой аппаратурой потребует гораздо больше времени и денег. В итоге у меня было достаточно запасных частей, чтобы построить вторую, маленькую камеру, и я захотел заняться каким-то уникальным проектом на стороне, которого я раньше не видел на этом уровне в сообществе любителей. Исключив системы очень высокого напряжения и другие проекты, связанные с другими рисками и опасностями, я подумал: почему бы не поиграть с некоторыми простыми двигателями, чтобы заполнить свое время работой над большими вещами? Это можно было сделать в меньшем масштабе и гораздо безопаснее, чем большой проект, над которым я работал, с использованием простых материалов и источников питания с более низким напряжением. Прежде всего, он объединил мои интересы в области высокого напряжения, плазменных систем, систем ускорителей частиц, вакуума и двигателей в одной области!

Я начал с очень простого мелкомасштабного импульсного плазменного двигателя размером с кубсат. В двигателе использовалось тефлоновое топливо и не требовалась внешняя подача газа, что упрощало конструкцию и сводило затраты к минимуму. Поскольку двигатель также работал при довольно низком напряжении (по сравнению с тем, к которому я привык), всего 1-2 киловольта, подача напряжения через стандартные вакуумные вводы не была проблемой. К сожалению, этот первый двигатель так и не заработал, но я был полон решимости запустить его. Своими первоначальными сообщениями об этой сборке я привлек внимание нескольких членов сообщества наноспутников, которые помогли мне познакомить меня с различными группами cubesat и PocketQube. Я обнаружил, особенно на уровне PocketQube, что в этом масштабе практически не ведется работа над двигателем. Действительно, ни в одном спутнике такого масштаба двигательная установка успешно не использовалась, и на рынке для этого класса спутников фактически не существовало никакой двигательной установки. Именно здесь я увидел, что можно внести реальный вклад.

С тех пор я все больше и больше вовлекался в сообщество, переходя от простых прототипов к полностью интегрированным системам. Чем больше я погружался в это, тем больше меня захватывало, и тем больше это становилось моим единственным главным хобби. Раньше я метался между разными проектами, но электрическая тяга позволила мне заниматься всем, что меня интересовало, в рамках одной широкой темы. На этом уровне люди также проявляли настоящий, неподдельный интерес к плазменным и ионным двигателям. Это позволило мне получить небольшое количество последователей и некоторый импульс в сообществах наноспутников и производителей. Теперь электрическая тяга поглощает все мое свободное время и ресурсы. Если я не на своей основной работе или не провожу время с семьей, то я сосредотачиваюсь на разработке двигательных установок. Существует так много неиспользованного потенциала, который можно исследовать и продвигать!

И я думаю, что это часть красоты электрического двигателя — он охватывает так много! ВЧ-плазма, плазма постоянного тока, импульсная плазма, ионные пучки постоянного тока, импульсные ионные пучки, многополярные пучки и электронные пучки. Буквально все виды топлива, которые только можно вообразить – твердые вещества, жидкости, газы, пластик, металл и вода. Вы называете это. И электрическая тяга происходит и разделяет многое из других областей. Ионные двигатели — это, по сути, ионные пушки, используемые в физике элементарных частиц и полупроводниках. ВЧ-плазменные двигатели имеют те же основы, что и ВЧ-плазменные горелки и другие источники ВЧ-плазмы, применяемые в исследованиях и промышленности. Импульсные двигатели уже давно используются в импульсных источниках плазмы для физических и энергетических исследований. Электроспрей находит применение во всем: от фрезерования сфокусированным ионным пучком до технологии печати и химии. Нейтрализаторы — это всего лишь тип электронной пушки. Все связано в той или иной форме. Просто невозможно заскучать со всеми темами, которые вы можете охватить только на электродвигателях, и всегда есть что-то новое, что можно попробовать!

Еще один аспект электрических двигателей, который я действительно оценил, заключается в том, что их масштабируемость обеспечивает доступность. Двигатели могут быть массивными, мощностью в несколько киловатт на самых больших спутниках, или они могут быть самыми крошечными двигателями на самых маленьких спутниках, работающими всего на несколько ватт или меньше. Несмотря на то, что все еще существует много технических проблем с масштабированием меньшего размера, тот факт, что это можно сделать очень маленьким, делает его чрезвычайно интересным для решения на этом уровне.

И есть реальные приложения и спрос на этот материал. У меня уже есть два подруливающих устройства, интегрированных в AMSAT-EA GENESIS N и L PocketQubes, все настроено и готово к запуску в ближайшие пару месяцев. Я веду переговоры о другом подруливающем устройстве, которое может взлететь в начале следующего года. Это уже не просто возиться с прототипами в подвале для развлечения, а разрабатывать настоящие, пригодные для использования, развертываемые двигательные модули, которые могут оказать существенное влияние на поле. Я могу раздвинуть границы возможного на этом уровне, выйдя за рамки обычных разработок, проводимых в области электрических двигателей на уровне крупных финансируемых НАСА, ЕКА, академических учреждений или компаний.

Как вы занимаетесь проектированием и тестированием силовых установок на любительском уровне?

Это отличный вопрос, и мне его часто задают, но его сложно правильно выразить словами. В первую очередь это происходит из-за установки на подход к проблемам, которая была ключевой движущей силой всего, что я делаю. С тех пор, как я был маленьким, я всегда увлекался изготовлением вещей. Очевидно, что бывают случаи, когда вы не можете получить доступ к определенным вещам — либо они слишком дороги, их трудно достать, либо что-то еще. В таких случаях я заканчиваю тем, что пытаюсь сделать эти вещи самостоятельно. От робототехники до музыкальных инструментов всегда применялись одни и те же принципы, независимо от проекта, за который я взялся. Я должен был попробовать это сам. Каждый раз, когда я вижу что-то, что меня интересует, я сразу думаю про себя: как я могу построить это самостоятельно с небольшими деньгами и ресурсами дома? Это кажется очень простым вопросом, но он сразу же заставляет меня думать обо всех возможностях, начиная с моих фундаментальных ограничений и работая над ними для достижения моей цели. Это движущая сила всего, что я делаю, и это менталитет, который я культивировал годами. Я очень практический ученик. Я постоянно думаю о том, как сделать что-то максимально простым и эффективным.

Если мы выйдем за рамки этой базовой философии и перейдем к реальной практической стороне проектирования и тестирования, то увидим, что весь процесс состоит из множества шагов. Сначала все начинается с интереса. Я сталкиваюсь с технологией, которая меня заинтриговала, и сразу же начинаю думать о том, как разбить ее на основные принципы и работать с ней самостоятельно. Какой бы сложной ни казалась технология, она всегда основана на некоторых фундаментальных принципах, общих для других областей. Большая часть этого начального этапа, и на самом деле большая часть моего времени, тратится на то, чтобы часами сидеть, исследуя и размышляя о технологии. Я загружаю и просматриваю столько статей, сколько могу найти, не только по самой базовой технологии, но и по другим связанным с ней аспектам. Все, начиная от физической конструкции двигателя и заканчивая топливом, материалами, электроникой, полной интеграцией и т. д. Когда я просматриваю документы, я сразу идентифицирую схемы, изображения, таблицы с параметрами (мощность, тяга, напряжение, ISP и т. д.), данные и выводы. Я ищу как в академических кругах, так и в промышленности. Я рассматриваю все возможные топологии и способы настройки и эксплуатации такого двигателя. Меня всегда восхищали различные подходы к этим проблемам, и действительно, никогда не бывает одного правильного решения. Я также обнаружил, что в некоторых из первых новаторских работ в этих областях содержится столько же невероятно ценных знаний, сколько и в новых передовых технологиях.

Далее идут наброски на бумаге. Как только у меня появляется общее представление о топологии, я всегда просто делаю набросок, чтобы сделать что-то осязаемым. Оттуда я перехожу к первоначальным проектам САПР. Не что-то окончательное или конкретное, а множество различных предварительных проектов и конфигураций. В то же время, поскольку это высокоинтегрированная система, мне также необходимо подумать о том, как электроника взаимодействует с двигателем на верхнем уровне. Особенно на уровне наноспутников и пикоспутников ограничения по мощности и пространству являются двумя основными ограничениями, которые определяют как технический класс двигателей, которые можно использовать, так и предельные характеристики, которые могут быть достигнуты.

После первоначальных концептуальных проектов я приступаю к усовершенствованию проектов с точки зрения доступности материалов и производства. Поскольку я работаю, по сути, с бюджетом в несколько сотен долларов в месяц, я не могу позволить себе какие-либо супер нестандартные вещи. Все должно быть сделано с использованием как можно большего количества готовых компонентов; Мне нужно свести к минимуму индивидуальную обработку и очень дорогие материалы. Это привело меня к интенсивному использованию высокопроизводительных 3D-печатных материалов. Я интегрирую многочисленные функции в дизайн, делая его очень многофункциональным. Это позволяет мне легче интегрировать двигатель и электронику вместе и тратить лишь малую часть того, что потребовалось бы для изготовления этих деталей на заказ из цельного материала. Конечно, есть некоторые вещи, которых нельзя избежать, например изготовление на станке с ЧПУ ионных эмиттеров из пористого стекла для моих двигателей с электрораспылением ионной жидкости, над которыми я работаю. Однако даже здесь я провел бессчетное количество часов, изучая способы проектирования деталей таким образом, чтобы сделать эту передовую силовую технологию более доступной на этом уровне.

После уточнения моделей и уточнения деталей изготовления я начинаю работу над электроникой двигателя. Поскольку я разрабатываю физические двигатели для прямой интеграции с электроникой, у меня уже есть общее представление о том, как должна располагаться плата вокруг двигателя с учетом ограничений по пространству и мощности, а также компонентов и функциональности схемы. Электронная часть конструкции, вероятно, более утомительна и сложна, чем сам физический двигатель, потому что я очень ограничен в пространстве и мощности на этом уровне. Существуют также дополнительные соображения, такие как расстояние между высоковольтными кабелями и отслеживание платы, которые необходимо учитывать в условиях высокого вакуума. Для PocketQube, который представляет собой всего лишь пятисантиметровый куб для 1P (где 2P — это два из них, 3P — это три и т. д.), и обычно обеспечивающий максимальную мощность всего пару ватт, масштабирование на таком экстремальном уровне невероятно требовательный. Прямо сейчас мои двигательные модули имеют общий объем порядка менее 0,5P — это менее 5 см x 5 см x 2,5 см. Они потребляют от небольшой доли ватта до пары ватт максимум. Все это для топлива, высокого напряжения, управления и самого двигателя!

После того, как все окончательно спроектировано, изготовлены все детали и установлены печатные платы, система паяется и собирается в первый раз. Я считаю, что, особенно в некоторых стилях 3D-печати, определение допусков остается немного сложным. Это означает, что на первых итерациях всегда есть некоторые модификации рук, чтобы все подошло правильно. Дремелирование, шлифовка и опиловка ничего не могут исправить!

Затем идет тестирование. Из всех шагов тестирование, безусловно, является самым утомительным. Здесь все сходится. Электроника двигателя проходит предварительную проверку на воздухе перед окончательной установкой в камере. Это нужно для того, чтобы убедиться, что высоковольтная и управляющая электроника работает должным образом. Затем двигатель необходимо тщательно очистить, собрать и установить в камеру в зависимости от испытательного запуска (срок службы, измерения тяги, общее зажигание и т. д.). Каждый двигатель имеет очень разные режимы управления и работы, и некоторые из них проще, чем другие. Все должно быть подключено к вакуумной стороне, проверено дважды, а затем трижды. Как только двигатель будет запечатан в камеру высокого вакуума и откачан, любые проблемы с проводкой потребуют многочасового повторения процесса.

Несмотря на всю эту подготовку, никогда нельзя быть полностью готовым к тому, чего ожидать во время теста. Вещи ведут себя совсем иначе в высоком вакууме, чем в атмосфере. Когда вы объединяете высокое напряжение, ограниченное пространство, плазму и ионные пучки в одной картине, может произойти много неожиданного. Только когда вы действительно окажетесь в кресле пилота, вы сможете по-настоящему почувствовать двигатель в действии. Вся теория и предварительная подготовка необходимы, чтобы увеличить ваши шансы на успех, но реальный мир всегда сильно отличается от теоретического мира. Управление этими подруливающими устройствами по-прежнему является очень практическим и увлекательным занятием. Каждый тип подруливающего устройства имеет различные ощущения. Во всех случаях я запускаюсь с минимальной мощностью, а затем медленно набираю обороты. Мне приходится одновременно следить за кучей вещей — вакуумом, охлаждением, контрольно-измерительными приборами, управлением двигателем, питанием, проверять, записываю ли я хорошее видео для анализа испытаний, делаю заметки, собираю данные. Так много всего происходит. Когда что-то идет не так или не работает так, как ожидалось, мне действительно приходится думать на ходу и приспосабливаться к ситуации. Часто случаются сбои – искрение, перекрытия, короткое замыкание компонентов. Но вид плазменного импульса или крошечного ионного пучка, исходящего от двигателя (и из правильной области!), делает все это стоящим. Видеть, как этот крошечный двигатель наконец-то ожил после всех этих исследований, проектирования и испытаний — это действительно захватывающий момент.

Во время тестирования я также отправляю в Твиттер весь тест по мере его прохождения. От вакуумной откачки до подготовки, предтестового инструктажа и фактических испытаний — он дает другим возможность заглянуть за кулисы того, что на самом деле происходит во время расширенных испытаний двигателей. И я разделяю все это, от полнейших неудач до полного успеха. Это всегда интересная поездка с множеством поворотов на этом пути! Нет другого электрического двигателя, который так открыто обнажал бы все это в самой грубой форме. Каждый может увидеть и внимательно проследить не только во время испытаний, но и с самого начала первоначальных концепций и теорий до испытаний двигателя в конце срока службы.

Но после тестирования дело не останавливается на достигнутом. Никакая конструкция двигателя не работает идеально с первой попытки, поэтому выполняются многочисленные итерации как двигателя, так и электроники. После первого прототипа дополнительные итерации выполняются намного быстрее, поскольку первоначальная основа уже заложена. Однако выполнение нескольких тестов всегда требует физических усилий и требует очень много времени. Тем не менее, каждая итерация, независимо от успеха или неудачи, всегда открывает что-то новое для изучения. Каждая итерация всегда продвигает дизайн вперед, независимо от того, насколько мал или велик сделанный шаг.

Поскольку каждая фаза процесса разработки и испытаний двигателя может занять время, между исследованиями, проектированием, производством и испытаниями у меня всегда есть множество параллельных разработок. Таким образом, никогда не бывает момента, когда я не работаю над системой двигателя. Я думаю, что сейчас у меня есть шесть активных двигателей в разработке, между первоначальным проектированием и тестированием, а также несколько других, которые я исследую в фоновом режиме. По сути, я рассказываю почти обо всех основных видах электрических двигателей.

Какую роль, по вашему мнению, будут играть электрические двигательные установки в освоении космоса человечеством?

Я бы сказал, что он уже играет очень важную роль в работе человечества с космосом. Научные миссии, такие как Dawn и Deep Space 1, уже успешно использовали и продемонстрировали несколько мощных современных ионных двигателей. Ведется работа над новым поколением еще более мощных ионных двигателей, таких как NEXT, для поддержки новых научных миссий в дальнем космосе. Конечно, по мере того, как человечество будет двигаться дальше за пределы Луны, электрическая тяга будет играть важную роль в этом продвижении. Но продвижение взаимодействия с космосом уже началось. И электрическая тяга тоже не новая область. На самом деле он возник уже много десятилетий назад, но только начал набирать обороты и распространяться с уменьшением размеров спутников, а также с более широким использованием спутников вне научных миссий.

Электрические двигатели также играют большую роль в миссиях рядом с домом. Большинство управляемых электрических силовых установок находятся на спутниках в коммерческом секторе, поддерживая удержание орбиты этих спутников и орбитальные маневры. По-прежнему существует множество коммерческих спутников, которые запускаются с помощью той или иной формы плазменных или ионных двигателей (обычно это двигатели Холла для более крупных спутников). Они полагаются на эти формы движения для маневров, орбитальных переходов и возможностей по окончании срока службы. Например, многочисленные спутники Starlink оснащены двигателями Krypton Hall. Новое созвездие Amazon Project Kuiper также планирует оснастить бортовой двигательной установкой (хотя окончательная технология еще не раскрыта). В работе находятся и другие созвездия, как государственные, так и коммерческие, которые объявили о контрактах на поставку электрических двигателей для улучшения возможностей миссии. И есть много компаний по всему миру, поставляющих новые плазменные и ионные двигатели на растущий рынок спутников.

Идя дальше по шкале, в то время как большинство наноспутников и пикосатов, таких как кубсаты и PocketQubes, по-прежнему работают без какой-либо двигательной установки, в этом масштабе существует огромный интерес и инвестиции для разработки технологий микроэлектрических двигателей. Существует по крайней мере дюжина компаний, а также бесчисленное множество лабораторий, программ и новых побочных продуктов, которые появляются из этих программ практически каждый месяц.

И теперь, благодаря усилиям Applied Ion Systems, электрическая силовая установка открывает новую главу в своем развитии. Разработка электрических двигателей больше не ограничивается только многомиллионными академическими или государственными усилиями. Это то, что действительно можно улучшить даже дома. С появлением кубсатов и PocketQubes в сочетании с постоянно снижающейся стоимостью запусков космос стал как никогда доступным для публики. Особенно с PocketQubes все больше и больше стартапов студентов, академиков и NewSpace могут создавать и запускать свои собственные спутники и получать доступ к космосу. Многие из этих усилий также в буквальном смысле создаются дома или с помощью усилий небольших групп. Это было просто невозможно до недавнего времени. Черт возьми, год назад я даже не мечтал, что увижу, как двигатели, которые я построил дома и запустил в подвале, действительно летают по орбите! Когда дело доходит до подлинной доступности, именно производители, мастера и энтузиасты по всему миру берут эти обычно сложные и непомерно дорогие технологии и делают их доступными для обычных людей. И что может быть лучше, чем человечество может заниматься космосом, когда такие технологии можно использовать даже дома!

Распечатайте на 3D-принтере свой собственный работающий ионный двигатель космического корабля — 3DPrint.

com

Настоящий ионный двигатель, используемый на спутниках.

Хотя может показаться, что капитан Кирк просит Сулу установить на максимум, ионный двигатель — это не научная фантастика, а реально работающая технология, доступная сегодня. Ионные двигатели используются на космических кораблях дальнего действия и на спутниках для управления их ориентацией и положением на орбите. Они работают, генерируя пучки ионов для создания тяги, которая в космическом вакууме может фактически позволить космическому кораблю достичь довольно впечатляющих скоростей, используя очень небольшое количество энергии. В космосе ионные двигатели обычно питаются от солнечных батарей, а для космических кораблей большой дальности — от ядерной энергии. Тем не менее, можно создать ионный двигатель в атмосфере Земли, и хотя вы не сможете с ним ничего летать, это все же отличный способ продемонстрировать стоящую за ними науку.

Испытание ионного двигателя.

Португальский инженер по имени Жоао Дуарте просматривал Интернет, когда наткнулся на демонстрацию принципов работы ионных двигателей и решил, что хочет построить свой собственный. Как один из основателей своего местного мейкерского пространства eLab Hackerspace, он имел доступ ко всему, что ему нужно, и фактически искал проект, чтобы взять его с собой на Lisbon Maker Faire. Поскольку всегда здорово видеть поток воздуха без каких-либо движущихся частей, он подумал, что упрощенная версия этой сложной технологии будет отличным проектом для демонстрации посетителям выставки. И мало того, что это просто звучало как забавный проект, создание его собственного ионного двигателя было проектом прямо в переулке Дуарте.

«Прежде всего, я люблю космос! Так что все, что связано с космосом, всегда привлекало меня. Еще я люблю работать с высоким напряжением! Как инженер-электрик и электронщик я всегда участвую в интересных проектах, но обычно высокое напряжение превыше всего. И, наконец, есть 3D-печать, которая для меня относительно нова, хотя раньше у меня был успех с ДНК-лампой. Я подумал, что смогу использовать свои новые приобретенные навыки, чтобы сделать его еще более особенным, создав что-то вроде стартовой платформы или испытательного центра с использованием 3D-печатных деталей», — сказал Дуарте по электронной почте.

Как только Дуарте точно знал, что ему понадобится для создания ионного двигателя, он начал проектировать все это в Tinkercad. За исключением некоторых медных трубок, гвоздей с медным покрытием, нескольких кусочков проволоки и источника питания, почти весь двигатель состоит из компонентов, напечатанных на 3D-принтере, которые доступны для загрузки на Thingiverse. Когда у него было все, что ему нужно, пришло время Дуарте собрать свой двигатель, и он опубликовал подробный журнал сборки проекта вместе с инструкциями в блоге eLab.

Двигатель Дуарте работает на удивление просто. Гвозди с медным покрытием и медная трубка будут служить противоположными электродами. Размещать их нужно очень аккуратно, при этом расстояние от кончика гвоздя до поверхности трубочек должно быть точно одинаковым. После включения электрическое поле, окружающее гвозди, будет электрически заряжать воздух вокруг них, который, в свою очередь, притягивается к противоположному электроду, медным трубкам. Это приводит к тому, что крошечные пучки плазмы, настолько маленькие, что их едва видно, достигают трубок. Когда ионы перемещаются от гвоздей к трубкам, они приносят с собой любые нейтральные частицы, что приводит к постоянному потоку воздуха, не требующему движущихся частей.

Вы можете посмотреть видео о ионном двигателе в действии, включая несколько дуг заряженных ионов между медными частями здесь:

к электродам, точность размещения гвоздей по центру трубок, обеспечение того, чтобы все расстояния между ними были одинаковыми, идеально обрезанные трубы, имеющие поверхность, перпендикулярную гвоздям, и, конечно же, расстояние между электродами, который необходимо поставить прямо перед тем, как он начнет создавать электрическую дугу», — объясняет Дуарте.

Что касается источника питания, у Дуарте оказался дополнительный трансформатор неоновых вывесок (NST) из предыдущего проекта, который идеально подходил для этого проекта. Однако, если кто-то планирует построить свой собственный двигатель, будьте осторожны, мощности, необходимой для его работы, будет достаточно, чтобы действительно навредить любому, кто точно не знает, что он делает. Подруливающее устройство управляется ярко-красной аварийной кнопкой, которая запускает трансформатор, если ее удерживать, поэтому, если что-то случится, кнопку нужно просто отпустить.

Хотя Дуарте признает, что его двигатель нельзя назвать эффективным двигателем, на самом деле он намеревался сделать его более научной демонстрацией принципов работы ионных двигателей. И, очевидно, судьи на Maker Faire в Лиссабоне согласились, потому что он был удостоен награды «Лучший в своем классе» в категории «Наука». Вы можете узнать больше о проекте, включая инструкции по созданию собственного, в блоге eLab Hackerspace. А если вы хотите, чтобы 3D-файлы создавались самостоятельно, они доступны на Thingiverse. Вы также можете найти больше других проектов Дуарте в его личном блоге.

Вы напечатали этот маленький гаджет на 3D-принтере? Сообщите нам об этом в ветке форума 3D Printed Ion Thruster Spacecraft на 3DPB.com.

Будьте в курсе всех последних новостей индустрии 3D-печати и получайте информацию и предложения от сторонних поставщиков.

С тегами: 3D-печатные ионные двигатели • ДНК-лампа • eLab Hackerspace • ионные двигатели • Жоао Дуарте • Лиссабонская ярмарка производителей • Лиссабонская ярмарка производителей 2015 • НАСА • Португалия • космический корабль • штуковина • Tinkercad

Включите JavaScript для просмотра комментариев с помощью Disqus.

Ионные двигатели могут работать и на Земле, чтобы сделать бесшумными твердотельные самолеты

Ионные двигатели — лучшая технология для отправки космических кораблей в дальние миссии. Они не подходят для запуска космических кораблей против мощной гравитации, но им требуется минимальное количество топлива по сравнению с ракетами, и они разгоняют космические корабли до более высоких скоростей в течение длительных периодов времени. Ионные двигатели также бесшумны, и их молчание заставляет некоторых ученых задаваться вопросом, могут ли они использовать их на Земле в приложениях, где шум нежелателен.

Полет с двигателем шумный. Вертолеты создают ужасный грохот, а рев реактивных двигателей может сделать жизнь рядом с аэропортом почти невыносимой. Даже небольшие винтовые самолеты шумны. Но что, если вместо этих более громких двигательных установок можно было бы использовать ионные двигатели, по крайней мере, в некоторых приложениях, где шум является проблемой?

Стивен Барретт из Массачусетского технологического института считает, что идея заслуживает внимания. Барретт — профессор аэронавтики и астронавтики в Массачусетском технологическом институте. Он также является директором лаборатории авиации и окружающей среды Массачусетского технологического института. «Цель исследования Стивена — помочь авиации добиться нулевого воздействия на окружающую среду», — говорится на сайте Массачусетского технологического института. «Это включает в себя разработку технологий двигателей с низким уровнем выбросов и шума для самолетов…» И здесь вступает в действие работа Барретта по ионным двигателям9. 0005

Барретт много лет интересовался ионным двигателем. В 2018 году Барретт и его коллеги опубликовали в журнале Nature статью под названием «Полет самолета с твердотельным двигателем». Твердотельные двигательные установки не имеют движущихся частей, поэтому они очень тихие. Энергия для полета исходит от электроаэродинамики, где электричество перемещает ионы и обеспечивает движение. Барретт и его коллеги называют поток ионов «ионным ветром». Они использовали его для запуска небольшого испытательного самолета в устойчивых и стабильных полетах.

«Это первый в истории устойчивый полет самолета без движущихся частей в силовой установке, — сказал Барретт в 2018 году. — Это потенциально открыло новые и неизведанные возможности для самолетов, которые тише, механически проще и не выделяют выбросы сгорания».

Это видео 2018 года объясняет работу Барретта до этого момента.

На данный момент Барретт и его команда успешно продемонстрировали эту концепцию на планере весом 2,26 кг (5 фунтов) с размахом крыльев 5 метров (16,4 фута). Крыло натянуто проволокой наподобие горизонтального ограждения. Литиевые батареи в фюзеляже подают ток на провода. Батареи подают положительный заряд на провода вдоль передней и нижней части крыла, а провода вдоль задней кромки крыла действуют как отрицательные электроды.

Уникальная аккумуляторная система подает 40 000 вольт электричества на плюсовые провода. Положительные заряды отрывают электроны от молекул воздуха, ионизируя их. Затем вновь ионизированные молекулы притягиваются к отрицательным электродам на задних кромках крыла. Эта полярность создает ионный ветер, который нагнетает воздух вокруг крыльев, создавая подъемную силу и тягу. Когда ионизированные молекулы движутся к отрицательным электродам, они сталкиваются с миллионами других молекул воздуха, толкая самолет вперед.

Барретт продолжал развивать идею твердотельного электроаэродинамического летательного аппарата с момента публикации статьи в 2018 году. Сейчас он работает с программой NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC). В статье от 7 февраля 2022 года Барретт объяснил текущее состояние идеи.

«Расширенная воздушная мобильность (AAM) — это авиационная экосистема, которая предусматривает работу небольших электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (VTOL) в городских районах», — написал он. Проблема с этим сценарием — шум: сообщества не будут приветствовать дополнительный шум. Ионная электроаэродинамика (EAD) может решить эту проблему.

В системах EAD нет движущихся частей, поэтому они практически бесшумны. Тишина приносит пользу нескольким потенциальным миссиям. «Примеры миссий, обеспечиваемых бесшумной силовой установкой EAD, включают в себя те, которые находятся рядом с чувствительными к шуму городскими сообществами, или срочные миссии по доставке в ночное время (например, для критически важных предметов медицинского назначения), когда сопротивление сообщества шуму наиболее сильное».

Ионный двигатель выигрывает от бесшумности, но у него есть и недостаток. Он создает низкую начальную тягу. В космосе это не проблема. Например, НАСА использовало мощную обычную ракету для запуска своей миссии DART с Земли, потому что обычные ракеты развивают достаточную тягу для достижения космической скорости. Но как только DART оставил Землю и ее гравитацию позади, он использовал ионный двигатель для движения.

Барретт и его команда продемонстрировали, что самолет EAD может летать в продолжительном полете. Но можно ли выполнить полет вертикального взлета и посадки?

Барретт думает, что они могут. «Новые многоступенчатые подруливающие устройства (MSD) EAD, в которых несколько ступеней двигателей EAD заключены внутри канала, будут использоваться для увеличения тяги, достаточной для обеспечения операций вертикального взлета и посадки», — написал Барретт в февральской статье. «В рамках этих усилий мы разработаем почти бесшумный самолет с возможностью вертикального взлета и посадки, оснащенный двигателями MSD».

Эти концептуальные чертежи иллюстрируют некоторые идеи, лежащие в основе двигателей вертикального взлета и посадки EAD. На каждом чертеже коробчатые компоненты создают тягу. A и B аналогичны модели, использовавшейся в испытательных полетах, а два нижних рисунка иллюстрируют другие концепции конструкции. Кредит изображения: Стивен Барретт.

Если они смогут воплотить свою идею в жизнь, в ближайшее время они не будут летать с пассажирами. Но СВВП EAD может занять и другие ниши.

«Самолет позволит выполнять миссии по доставке посылок в чувствительных к шуму районах или ночью, где операции в противном случае были бы запрещены из-за противодействия сообщества», — пишет Барретт. Так что в основном они будут более тихими дронами.

Баррет мыслит масштабно. В то время как двигатель EAD сначала ограничивает размер самолета, последующие итерации могут быть больше, мощнее и нести более тяжелую полезную нагрузку, включая пассажиров. «Эти усилия будут направлены на поддержку долгосрочных целей (1) по созданию и управлению самолетом с двигателем MSD и (2) оценке применимости технологии двигателя MSD для других вариантов использования AAM, включая внутригородские и междугородние пассажирские перевозки. транспорт», — говорит Барретт.

Пассажирский транспорт — это то, где технология может окупиться. В мире существует огромное количество авиаперевозок. В 2018 году в результате авиаперевозок было выброшено 1,04 миллиарда тонн CO2, включая пассажирские и грузовые перевозки. Это составляет около 2,5% мировых выбросов CO2. В этом могут помочь новые технологии, такие как двигатель EAD.

С такой идеей неудивительно, что Барретт был фанатом «Звездного пути». Его интересовали шаттлы и то, как они бесшумно передвигаются без движущихся частей и выхлопных газов. «Это навело меня на мысль, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть пропеллеров и турбин, — сказал Барретт в 2018 году. скользить».

Успокаивающее голубое свечение ионного двигателя. Изображение предоставлено: NASA

До того, как двигатель EAD станет реальностью, помимо более тихих дронов, предстоит пройти долгий путь. Но Барретт говорит, что переход от концепции к ограниченному летающему прототипу в качестве доказательства концепции тоже был долгим путем.

«Понадобилось много времени, чтобы добраться сюда, — говорит Барретт. «Переход от основного принципа к чему-то, что действительно летает, был долгим путем описания физики, затем разработки дизайна и запуска его в работу. Теперь возможности для такой двигательной установки вполне жизнеспособны».

NIAC: бесшумный твердотельный двигатель для усовершенствованных аэромобильных транспортных средств
Вселенная сегодня: этот мощный ионный двигатель будет летать в рамках миссии НАСА DART по попытке перенаправить астероид
НАСА: обзор NIAC

Вот так:

Нравится Загрузка…

Ионный двигатель: создание ионного ветряного ротора

Научные проекты

Сводка

Физика
Исследование космоса

Короткое (9 дней)0005

Бен Финио, PhD, Science Buddies

*Примечание:
Для этого научного проекта вам потребуется разработать собственную экспериментальную процедуру. Используйте информацию на вкладке сводки в качестве отправной точки. Если вы хотите обсудить свои идеи или вам нужна помощь в устранении неполадок, используйте форум Ask An Expert. Наши эксперты не будут делать работу за вас, но они сделают предложения и дадут рекомендации, если вы обратитесь к ним с конкретными вопросами.

Если вам нужна идея проекта с полными инструкциями, выберите вариант без звездочки (*) в конце названия.

Реферат

Ионные двигатели, также называемые ионными двигателями (рис. 1), представляют собой двигатель космического корабля с электрическим приводом. Хотя они обеспечивают очень низкую тягу (и, следовательно, низкое ускорение), они могут делать это в течение очень длительных периодов времени, используя очень небольшое количество топлива. Таким образом, хотя они и не подходят для преодоления гравитации Земли, как химические ракеты, которые менее эффективны, но генерируют более высокую тягу, они полезны для зондов дальнего космоса или для небольших корректировок спутниковых орбит. Вы можете прочитать больше об ионных двигателях в справочнике НАСА в библиографии.

Вы можете построить модель ионного двигателя, называемого ионным ветровым ротором, используя генератор Ван де Граафа. Генератор Ван де Граафа создает положительный электростатический заряд на своем куполе. Этот заряд может быть сконцентрирован на кончике электрода (см. ссылку на класс физики в библиографии и прочтите раздел об электрических полях и кривизне поверхности), который затем ионизирует близлежащие молекулы воздуха, удаляя электроны. Теперь положительно заряженные молекулы воздуха отталкиваются от положительно заряженного электрода. Согласно третьему закону движения Ньютона, это создает силу реакции, которая давит на электрод. Когда два электрода, направленные в противоположные стороны, помещаются на ротор, результирующие силы заставляют ротор вращаться (рис. 2 и 3).

Хотя функциональность ротора не идентична функциональности настоящего ионного двигателя, он демонстрирует аналогичный принцип работы по созданию тяги за счет выброса потока ионов. Посмотрите это видео, чтобы узнать, как сделать базовый ионный ротор, показанный на рис. 2, и объяснить, как он работает:

Хотя конструкция на рис. 2 работает как простая демонстрация, трение между алюминиевым ротором и гвоздем часто может возникать. Иногда ротор может застрять, а очень легкую алюминиевую фольгу может даже оттолкнуть вверх, подальше от генератора Ван де Граафа. В лучшей конструкции используется кусок медной трубы с просверленным в ней отверстием, уравновешенный на гвозде (рис. 4).

Посмотрите это видео, чтобы узнать, как построить улучшенную версию ионного ветряного ротора. Вам понадобятся такие инструменты, как тиски, ножовка или сабельная пила, дрель и защитные очки.

Можете ли вы использовать эту конструкцию ионного ветряного ротора в научном проекте? Хотя вы не можете напрямую измерить тягу, создаваемую электродом, вы можете сравнить относительные величины тяги, создаваемой двумя электродами, используя ротор в качестве баланса. Если вы направите электроды в одном направлении, то ротор не должен вращаться, когда крутящие моменты, создаваемые каждым электродом относительно точки поворота, компенсируют друг друга (рис. 5).

Это можно выразить математически, используя уравнение 1:

Уравнение 1: [Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Которое можно изменить, чтобы показать соотношение сил, создаваемых двумя электродами:

Уравнение 2 : [Включите JavaScript для просмотра уравнения]

Это позволит вам сравнить относительные силы, создаваемые различными электродами, перемещая электроды вперед и назад (ближе к центру или дальше от центра) по мере необходимости, пока крутящие моменты не сбалансируются и ротор не сравняется. больше не крутится ни в какую сторону. Например, можно сравнить гвозди разного размера или гвозди с разным покрытием поверхности. Вы также можете изучить влияние геометрии кончика электрода (например, отрезать или подпилить кончик ногтя) или даже попробовать сделать свои собственные электроды из других материалов.

С вашей стороны могут потребоваться некоторые усилия и эксперименты, чтобы этот проект работал хорошо. Различия в тяге, создаваемой разными электродами, могут быть очень малы и их трудно измерить. Приведенный выше анализ также не учитывает трение между центральным гвоздем и медной трубой, что повлияет на ваши результаты. Вы можете начать со сравнения очень больших различий между электродами, например. переверните один гвоздь так, чтобы его головка была направлена наружу, действуя как «наконечник» электрода. Можете ли вы уточнить свои результаты, чтобы измерить различия между более похожими электродами или даже прийти к оптимальной конструкции электрода?

Библиография

Хендерсон, Т. (без даты). Электрические поля и проводники. Кабинет физики. Проверено 25 февраля 2022 г.

НАСА (7 августа 2017 г.). НАСА — Ионный двигатель. Проверено 25 февраля 2022 г.

Задать вопрос эксперту

У вас есть конкретные вопросы о вашем научном проекте? Наша команда ученых-добровольцев может помочь. Наши эксперты не сделают всю работу за вас, но они сделают предложения, дадут рекомендации и помогут устранить неполадки.

Опубликовать вопрос

Вакансии

Если вам нравится этот проект, вы можете изучить следующие родственные профессии:

Руководство по проекту научной ярмарки
Другие подобные идеи
Идеи проекта по физике
Идеи проекта по исследованию космоса
Мои Избранные

Лента новостей по этой теме

,
,

Процитировать эту страницу

Общая информация о цитировании представлена здесь. Обязательно проверьте форматирование, включая заглавные буквы, для используемого метода и при необходимости обновите цитату.

MLA Style

Финио, Бен.

«Ионный двигатель: построить ротор ионного ветра». Научные друзья ,
18 марта 2022 г.,
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p119/physics/ion-wind-rotor.
По состоянию на 16 сентября 2022 г.

Posted inДвигатель