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.
Содержание
- 1 Как работает ионный двигатель
- 2 Преимущества ионного двигателя для космического корабля
- 3 Недостатки ионных двигателей
- 4 Где используются ионные двигатели
- 5 Когда изобрели ионный двигатель
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.
Ионный двигатель-двигатель будущего
Ионный двигатель-двигатель будущего
- Авторы
- Руководители
- Файлы работы
- Наградные документы
Бушило З.
А. 1Зарожный П.Г. 1
1ГУО «Мирская средняя школа» Барановичского района
Первененок В.В. 1
1ГУО «Мирская средняя школа» Барановичского района
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга, которую могут дать только обычные двигатели.
Для того, чтобы отправить ракету Falcon Heavy массой 550 тонн, нужно использовать 400 тонн топливной смеси, которая за 9,5 минут израсходуется.
Для вывода спутника на орбиту этого достаточно, а вот долететь до Марса с помощью такого двигателя не получится. Эта проблема заставила ученых искать альтернативу, и она была найдена в виде ионного двигателя.
Ионный двигатель—устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Цель работы: изучение принципов работы ионного двигателя и создание его действующей модели.
Объект исследования: ионный двигатель.
Предмет исследования: процесс ионизации газа как причина, вызывающая реактивное движение.
Задачи исследования:
— изучить информационные источники по теме исследования;
-разработать модель ионного двигателя;
-осуществить сборку и тестирование прибора.
Методы исследования:
-работа с научными источниками;
-работа с Интернет-ресурсами;
-эксперимент.
Гипотеза: при ионизации газа возникает реактивная тяга, способная привести в движение тело.
Актуальность работы заключается в том, что применение ионных двигателей открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов.
Практическая значимость работы заключается в создании экспериментальной действующей модели ионного двигателя, которая может применятся учителем на уроках физики для демонстрации явлений ионизации воздуха, коронного разряда, реактивного движения, а также на внеклассных мероприятиях для формирования у учащихся интереса к изучению физики.
1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1 История создания ионного двигателя
Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. [1] При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством американского ученого Роберта Годдарда, который в 1917 провел первый эксперимент с ионным двигателем в Университете Кларка. (Фото1.1)
Фото 1.1-Ионный двигатель
Первый работающий ионный двигатель был построен в 1959 году инженером НАСА Горальдом Кауфманом. (Фото 1.2)
Фото 1. 2-Кауфман с макетом SERT-2
В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. (Фото 1.3) Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей. [2]
Фото 1.3-Аппарат «Зонд-2»
Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.
Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.
1.2Принцип работы ионного двигателя
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. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.
Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, 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 ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт 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, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю. [3]
Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. (Рисунок 1.1)
Рисунок 1.1-Схема работы ионного двигателя
1. 3Применение ионных двигателей на современном этапе
В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). (Фото 1.4)
Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябус, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.
Фото 1.4-Ионный двигатель аппарата Deep Space 1
Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий-автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата. Принцип их работы состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в 10 раз выше, чем современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту солнечных батарей и уровня подачи топлива. Для полета Dawn необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля-Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста-Церера-110 кг. Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости: 5 июня 2016 года, спустя 9 лет после запуска, станция Dawn разогналась до 39900 км/ч (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn в связи с полной выработкой топлива ионными двигателями. (Рисунок 1.2) [4]
Рисунок 1.2- Эмблема миссии Dawn
Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник. (Фото 1.5)
Фото 1.5-Спутник GOCE
Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, является японская исследовательская станция «Хаябус-2» по изучению астероида Рюгу. Зонд, на котором установлены 4 ионных двигателя, может менять направление полета за счет этих двигателей. Рабочим телом данных двигателей является ксенон массой 73 кг, который хранится в 51-литровом топливном баке.
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.
Ионные двигатели использовались в семи завершившихся миссиях и используются в четырех действующих.
Действующие миссии:
Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором.
Artemis.
Хаябус-2.
BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН. (Фото 1.6)
Фото 1.6- Космический аппарат BepiColombo
Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты.
1.4Перспектива применения ионных двигателей в космической уборке
Одним из перспективных направлений использования ионного двигателя является космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионным двигателем могут стать идеальным решением этой проблемы. Идея заключается в том, чтобы поставить два ионных двигателя на аппарат-уборщик, который сможет одновременно «дуть» на мусорный объект, смещая его с орбиты, и поддерживать собственную орбиту уборщика. Главный плюс ионных двигателей-малые энергозатраты. На пяти килограммах топлива один двигатель будет работать в течение года. По космическим меркам это очень мало. Хотя тяги ионного двигателя не хватает, чтобы эффективно перемещать космические корабли, для работы с мусором ее оказалось достаточно. (Рисунок 1.3)
Рисунок 1.3-Схема уборки космического мусора
Австралийиские ученые и инженеры разработали ионный двигатель NeumannDrive, работающий на космическом мусоре. Этот двигатель обладает высокой энергоэффективностью, но его главным отличием является то, что в качестве топлива он может использовать различные металлы, добытые в процессе переработки космического мусора.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Сборка модели ионного двигателя
Для исследования принципов работы ионных двигателей нами была создана экспериментальная модель. Наша экспериментальная модель представляет собой 4 ионных двигателя, закрепленных на концах лопастей, вращающихся на одной оси. Модель выполнена из диэлектрического материала-дерева. (Приложение, фото 2.1, фото 2.2)
Подача напряжения к каждому двигателю осуществляется от блока питания компьютера, который подключается к сети с переменным напряжением 220 В и преобразовывает его в постоянное 5 В. Для увеличения напряжения до нескольких кВ блок питания подключается к повышающему трансформатору электрошокера и далее к модели ионного двигателя. Каждый двигатель состоит из медной иголки–анода и алюминиевого цилиндра –катода. В качестве рабочего тела используется воздух.
Заявленное паспортное максимальное напряжение трансформатора электрошокера составляет 6000 В. В сети интернет мы прочитали, что по факту трансформатор электрошокера может выдать не более 3000 В.
Под действием высокого напряжения на электродах ионизатора возникает электрический коронный разряд, ионизирующий воздух. Образовавшиеся положительные ионы ускоряются в электрическом поле и создают ионный ветер, наличие которого можно установить, если поднести пламя свечи. (Приложение, фото 2.3) Возникающая в этот момент реактивная тяга вызывает вращение нашей модели.
Ионизацию воздуха подтверждает появившийся после запуска двигателей характерный запах озона, который также появляется после грозы.
Таким образом, созданая нами действующая модель является простейшим примером ионного двигателя, который используется в работе космических аппаратов.
2.2Расчёт характеристик модели ионного двигателя
Каждый из 4 ионных двигателей нашей модели находится на расстоянии R=20 см=0,2 м от оси вращения. Мы экпериментально рассчитали период обращения одного из двигателей. Для этого необходимо было найти среднее время <t > N=5 полных оборотов двигателя по формуле:
<t>= .
Время измеряли секундамером. Среднее время пяти полных оборотов составило:
<t>= 10,338 с 10,34 с.
Затем было рассчитано среднее значение периода обращения двигателя по формуле:
<Т>=
<Т>= =2,068 с 2,07 с.
По формуле = было рассчитано среднее значение центростремительного ускорения, которое составило 1,85 .
Среднее значение угловой и линейной скоростей двигателя рассчитали, исходя из формул:
3,03 , 0,61 .
2.3 Сборка модели ионолёта
Для полета ионолет использует те же принципы, что и ионные двигатели, которые устанавливают на космические аппараты. На тонком проводе возникает коронный разряд, воздух ионизуется. Ионы разгоняются в электрическом поле, создавая реактивную тягу.
В основе конструкции – склеенная из тонких деревянных планок треугольная рама. Верхний электрод – тонкая медная проволока сечением 0,1 мм2. Нижний – широкая полоска из пищевой алюминиевой фольги, натянутая на раму. Расстояние между ними – около 30 мм. Фольга должна огибать планки и не иметь острых ребер, в противном случае может возникнуть электрический пробой. (Приложение, фото 2.4)
После сборки конструкции к ней подключается высоковольтный источник питания: положительный вывод – к проводу, отрицательный – к фольге.
Вблизи тонкого электрода возникает ионизация атомов воздуха (кислорода в случае отрицательного напряжения на этом контакте, азота в случае положительного), полученные ионы начинают двигаться к широкому электроду, сталкиваясь с молекулами окружающего воздуха и отдавая им часть своей кинетической энергии, превращая молекулы либо в ион либо передавая им дополнительное ускорение (ударная ионизация). Создаётся поток воздуха от тонкого электрода к широкому, которого оказывается достаточно, чтобы поднять в воздух лёгкую летающую модель, которую и называют ионолётом.
В нашем случае подаваемого на электроды напряжения было не достаточно, чтобы возникла реактивная тяга , способная поднять наш ионолёт в воздух. Но подтверждением ионизации воздуха тонким электродом служит свечение проволоки, которое можно зафиксировать в темноте. (Приложение, фото 2.5)
Таким образом, собранную нами модель ионолета можно поднять в воздух, если подключить высоковольтный источник питания с подаваемым напряжением около 10 кВ и больше.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в ходе выполения работы нами были изучены устройство и принцип работы ионного двигателя. Мы установили, что тяга зависит от напряжения и может быть существенно увеличена при улучшении конструкции двигателя.
Все поставленные цели достигнуты, так как было изучено много источников информации по работе и применению ионных двигателей.
Мы узнали, что в ближайшем будущем ионные двигатели заменят двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их эксплуатации в 2-3 раза и продлит срок их жизни до 5-10 лет. В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в том числе тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты. В данный момент ионные двигатели применяются для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли. С течением технической проработки концепции двигателя он сможет в ближайшем будущем заменить главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов. Поэтому можно с уверенностью сказать, что ионный двигатель–двигатель будущего.
Практическим достижением нашей работы является созданная действующая модель ионного двигателя. Таким образом, наша гипотеза подтверждена. Созданная нами модель ионного двигателя может применятся учителем на уроках физики для демонстрации явлений ионизации воздуха, газового разряда, реактивного движения, а также на внеклассных мероприятиях для формирования у учащихся интереса к изучению физики.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гильберг Л. А. Электрические ракетные двигатели.-М. : Воениздат, 1968. -79 с.
2. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов.-М.: Машиностроение, 1989.- 216 с.
3. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионный_двигатель-Дата доступа: 20.10.2021
4. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ru.wikipedia. org/wiki/Dawn_(космический_аппарат)-Дата доступа: 20.10.2021
ПРИЛОЖЕНИЕ
Фото 2.1-Модель ионного двигателя
Фото 2.2-Испытание экспериментальной установки
Фото 2.3-Возникновение ионного ветра
Фото 2. 4-Модель ионолёта
Фото 2.5-Свечение верхнего электрода ионолёта
Просмотров работы: 257
Ion Propulsion — Propulsion 2
- Что такое Ion Propulsion?
- Конструкция ионного двигателя
- Теория ионного двигателя
- Преимущества
- Недостатки
Ионный двигатель — это разновидность электрического двигателя, используемого для приведения в движение космических кораблей. Он создает тягу, ускоряя ионы с помощью электричества. Здесь топливо ионизируется, а затем попадает в область сильного электрического поля, где происходит ускорение положительных ионов. Проходя через сетку, они покидают двигатель в виде высокоскоростной выхлопной струи. Электроны не уходят, поэтому выхлоп заряжен положительно. В конечном итоге это приведет к возникновению тормозящего поля между космическим кораблем и выхлопом, и, таким образом, поток электронов будет разряжаться в выхлоп, чтобы нейтрализовать космический корабль. Электроны несут небольшой импульс, поэтому на тягу это не влияет.
На приведенной ниже схеме показано, что подруливающее устройство разделено на две камеры. Топливо поступает в ионизационную камеру в виде нейтральных молекул газа. В камере возникает радиальное электрическое поле, и электроны испускаются с катода (который может быть термоэмиссионным эмиттером). Электроны ускоряются радиальным полем и достигают энергии в несколько тонн электрон-вольт, что достаточно для ионизации нейтральных атомов ракетного топлива при столкновении.
Чтобы увеличить длину пути электронов и гарантировать, что они столкнутся с как можно большим количеством нейтральных атомов, создается аксиальное магнитное поле, которое заставляет их двигаться по спирали. Таким образом, ионизация становится эффективной; то есть количество образующихся ионов в зависимости от электронного тока максимально.
Теоретически вся электрическая энергия в электротермическом двигателе поступает в выхлопной поток, но в электромагнитном двигателе каждый ион в выхлопе должен создаваться с энергией около 20–30 эВ на ион. Эта энергия не уходит в движение, а теряется. Таким образом, важно максимизировать эффективность ионизации.
Атомы ионизированного топлива дрейфуют под небольшим отрицательным полем через первую сетку в ускорительную камеру. Сетки имеют высокий потенциал поперек них и разнесены на 1-2 мм. Ионы набирают энергию в сильном электрическом поле и, проходя через внешнюю сетку, формируют ионный пучок. Нет необходимости в сопле для создания тяги, потому что движение ионного пучка упорядочено, а не хаотично.
Принципиальная схема ионного двигателя
Конструкция ионного двигателя :
Ионный двигатель состоит из пяти основных частей : источника питания, блока обработки энергии, системы управления топливом, управляющего компьютера. и ионный двигатель. Источником питания может быть любой источник электроэнергии, но обычно используются солнечные или атомные батареи. Солнечная электрическая двигательная установка использует солнечный свет и солнечные элементы для выработки электроэнергии. Ядерная электрическая двигательная установка использует ядерный источник тепла, соединенный с электрическим генератором.
Блок обработки энергии преобразует электроэнергию, вырабатываемую источником питания, в мощность, необходимую для каждого компонента ионного двигателя. Он генерирует напряжения, необходимые для ионной оптики и разрядной камеры, и большие токи, необходимые для полых катодов. Система управления топливом управляет потоком топлива из топливного бака к двигателю и полым катодам. Он был разработан до такой степени, что больше не требует движущихся частей. 9Управляющий компьютер 0031 контролирует и контролирует работу системы. Затем ионный двигатель обрабатывает топливо и энергию для приведения в движение космического корабля.
Теория ионного двигателя :
Концепция ионного двигателя проста, как описано выше. Теория работы также относительно проста, и, поскольку она сильно отличается от теории тепловой ракеты, полезно включить здесь краткое описание, чтобы можно было оценить сильные стороны и ограничения.
Как и во всех реактивных двигательных установках, тяга в конечном счете зависит от передачи количества движения от выхлопного потока к транспортному средству. Скорость истечения напрямую определяется разностью потенциалов между решетками. Каждый из ионов, падающих через эту разность потенциалов, получает фиксированное количество энергии, которое непосредственно преобразуется в скорость.
Другим параметром тяги является массовый расход. Для ионного двигателя это напрямую связано с током, протекающим между сетками, а сам ионный ток становится выхлопным потоком. Чтобы увеличить тягу данного ионного двигателя, необходимо увеличить ток; но его нельзя увеличивать бесконечно, так как существует естественный предел. Именно этот предел мы можем исследовать теоретически.
Схематическая диаграмма ионного двигателя с сеткой
Преимущества ионного двигателя :
- Удельный импульс очень высок.
- Ионный двигатель очень эффективен. Он может давать свою небольшую тягу в течение очень длительного времени.
- Ионные двигатели потребляют очень небольшое количество газа и разгоняют его до очень высоких скоростей, в отличие от химических двигателей, которые потребляют большое количество газа и выбрасывают его на малых скоростях.
Недостатки ионного двигателя :
- Очень низкое ускорение по сравнению с химическими ракетами.
- Низкая тяга не позволяет использовать его для запуска с поверхности планеты — тяга просто слишком мала, корабль вообще не будет двигаться (к тому же ионные двигатели работают только в вакууме).
- В отличие от химической ракеты (где топливо также является источником энергии), ионному двигателю также нужен внешний источник энергии.
Чтобы найти больше тем на нашем веб-сайте…
Ищите:
Хотите сослаться на Википедию? Пожалуйста, нажмите здесь…
Ищи:
Пожалуйста, подпишитесь на нас и поставьте лайк 🙂
| | 12 ноября 1998 г. Противоположности притягиваются, а симпатии отталкиваются. Это верно в отношении любви, а тем более в электричестве и магнетизме, где этот принцип управляет бесчисленными электрическими и магнитными штуковинами — от компасов и электродвигателей до катода.0113 лучевая трубка, которая, вероятно, позволяет вам это прочитать. | |||||
| . Художественная визуализация Deep Space 1. Предоставлено НАСА. Астероиды Совершенно новая планета Кометы Далекая планета? Роботы на Марсе | . Предполагается, что отталкивание противоположностей приведет космический корабль Deep Space 1 на широкую орбиту Солнца. Но футуристический двигатель таинственным образом вышел из строя всего через несколько минут после включения, и операторы космического корабля пытаются выяснить, что же пошло не так. В то время как футуристический корабль — если он тронется в путь — планирует посетить астероид и распадающуюся комету, его настоящая задача — протестировать технологии снижения затрат для предстоящих космических миссий. Как и многие корпорации, НАСА заинтересовано в сокращении штатов, поэтому корабль спроектирован так, чтобы работать с небольшим количеством человеческих советов — его компьютеры следят за его состоянием, расставляют приоритеты и звонят домой только в случае одиночества (фактически раз в неделю). Хотя план состоит в том, чтобы испытать автономную эксплуатацию всего за одну неделю, сравните средний космический корабль, на котором присутствует фаланга тепловозов.0113 окровавленных надзирателей сгрудились перед экранами компьютеров. Помимо автоматизации, запуск Deep Space 1 25 октября привлек внимание к ионному двигателю, который мы обязаны назвать двигателем «космической эры». За годы, потраченные на «Звездные войны» и «Звездный путь», вы узнаете ионный двигатель как чрезвычайно мощную альтернативу ракете, которая разгоняет заряженные частицы (ионы) до дьявольских скоростей.
Слабак, но упорный | |||||
| Deep Space 1 поднимается со своего рабочая платформа, дающая крупный план экспериментального ионного двигателя на солнечной энергии Ионный двигатель — этопервый химический двигатель, не относящийся к приведение в движение космического корабля. Предоставлено НАСА. | Так в чем же большое преимущество? Эффективность. Двигатель толкает свой выхлоп примерно в 10 раз быстрее, чем химический выхлоп ракеты, говорит Роберт Нельсон, ученый миссии Deep Space 1. Если принять во внимание большую солнечную батарею, говорит он, фактическое преимущество уменьшается примерно вдвое: Суть в том, что, если принять во внимание все компромиссы между этим двигателем и обычными химическими двигателями, вы можете управлять космическим кораблем в межпланетном полете примерно с одним-девятью часами.0113 пятая масса для топлива». Но сокращение массы за счет этого может привести к значительному выигрышу на самом дорогом этапе — в первую очередь, в отрыве от земли. «Когда вы уменьшаете массу космического корабля в пять раз, это большое дело», — говорит Нельсон.Эти преимущества обещают снизить вес и стоимость миссии — обе цели Deep Space 1. Пока мы ожидаем потенциального исправления
Все заряжено… Последним шагом является нейтрализация этого пучка ионов. В противном случае они будут притянуты обратно к положительным поверхностям космического корабля и компенсируют тягу. Несмотря на привлекательность высоких технологий, ионные двигатели основаны на том же элементарном ньютоновском принципе, что и обычные ракетные двигатели: на каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Несмотря на экзотическую конструкцию, ионный двигатель основан на том же простом уравнении, что и любой другой ракетный двигатель. Сила (F), которую он производит, равна массе (M) движущегося топлива, умноженной на его ускорение (A). Таким образом, F = МА. Поскольку химические ракеты «всего лишь» ускоряют свой выхлоп примерно до 6000 миль в час (здесь это относительное слово!), увеличение скорости выхлопа может освободить космический корабль от этого тупикового физического уравнения: для увеличения тяги требуется больше топлива, но все же ускорение этого топлива занимает вечно- Вместо увеличения F за счет добавления массы двигатель делает то же самое, увеличивая A, что позволяет уменьшить M. Помимо чрезвычайной скорости луча, самой большой новинкой ионного двигателя является его источник энергии. Химические ракеты хранят энергию в химикатах, а ионные двигатели получают энергию от солнечных батарей, которые вырабатывают электричество для электростатического поля, движущего ионы. | |||||