Высокочастотный ионный электроракетный двигатель принцип работы

Принцип работы ионного двигателя

Почему мы никак не можем отказаться от ракетных двигателей на химическом топливе? Неужели нельзя ничего придумать что-то лучше, чем взрыв водорода или газа? Хорошая новость: есть другие ракетные двигатели, которые пока воспринимаются как фантастика. Электромагнитное поле этих двигателей ускоряет атомы, что позволяет космическим аппаратам двигаться несколько месяцев. Речь идет про ионные двигатели, которые уже используются на нескольких космических аппаратах, чтобы реализовать множество удивительных исследований Солнечной системы.

Ракета на химическом топливе действительно уже довольно примитивна: берем тонны жидкого или твердого топлива, поджигаем при помощи окислителя, а газы, которые образовались от взрыва, толкают корабль вперед – третий закон Ньютона в действии. Но тут есть одна проблема. Дело в газе, керосине, которые поднимают ракету в космос. Благодаря ракетным окислителям процесс горения длится и в космическом пространстве, где нет кислорода. Преимущество ракет в их способности быстро давать огромное количество энергии – то, что нужно для доставки тонн груза в космос. Но такие ракеты экономически не выгодны. Ракете-носителю «Falcon Heavy», весом 550 тонн, требуется 400 тонн топлива и окислителя. Первая ступень сгорает уже 162 секунды, а второй горит еще 397. В целом горение длится приблизительно 9,5 минут. Понятно, что такие расходы на топливо и быстрое его окончание, вынудили ученых искать другие способы ускорения, особенно в условиях космоса. На данный момент самым успешным проектом является ионный двигатель.

Когда вы разрабатываете ракету, большую роль играет скорость, с которой она выкидывает газы. Самая эффективная ракета на химическом топливе выкидывает газ со скоростью 5 км/с. В то же время, ионные двигатели скидывают отдельные атомы со скоростью 90 км/с. Что позволяет космическому аппарату развить большую скорость? КПД наилучших ракет на химическом топливе составляет всего 35%, а ионные двигатели имеют целые 90%. Но как именно они работают? Правда похожа на научную фантастику.

Вместо раскаленных газов ионные двигатели выкидывают ионы, т.е. молекулы, которые имеют электрический заряд, потому что потеряли или получили электрон. Ионные двигатели выкидывают положительно заряженные ионы, которые потеряли свои электроны. Как только вы получили ионы, их магнитное поле формирует поток, разгоняется и, в результате, возникает сильнейшая тяга. Но откуда они берутся, эти ионы?

Двигатели генерируют ионы при помощи плазмы в середине космического корабля. Газы, такие как, ксенон, атакуют нейтрально заряженные атомы. Столкновение атомов освобождает еще больше электронов, и топливо превращается в позитивно заряженные ионы. Этот плазменный «суп» из электронов и позитивных ионов, в сумме имеет нейтральный заряд. Размещение электронов в камере приводит к их дальнейшей ионизации. В то же время, позитивные ионы подаются сквозь сетку в задней части двигателя. Проходя через сетку под высоким напряжением, ионы ускоряются до 90 км/с. Каждая освобожденная ионизированная частица дает кораблю небольшой толчок. Вся система работает на солнечных батареях, что снижает общую массу корабля, потому что никаких других систем питания не требуется.

Проблема в том, что толчок от такого освобождения ионов, очень маленький. Тяга ионного двигателя измеряется в миллиньютонах, тысячных частиц Ньютона. Этого хватит, чтобы удержать в руках листок бумаги. Но двигатели будут работать в режиме ускорения дни, недели и даже месяцы, хотя в химической ракете уже давно закончилось бы топливо. Когда корабль выходит из зоны гравитации планеты, ионный двигатель кардинально меняет скорость.

NASA и другие различные агентства уже не единожды использовали ионные двигатели на практике. Концепцию двигателя разрабатывали десятилетиями, но не рисковали проверить его на практике, потому что ошибка поставила бы крест на этих разработках. Однако, NASA осмелилась и использовала уйму рискованных технологий в миссии «Deep Space 1», которая стартовала в 1998 году. «Deep Space 1» состоял из 12 разнообразных технологий, которые хотели протестировать в NASA: низкочастотная электроника, концентратор солнечной энергии, различное научное оборудование и солнечный ракетный электродвигатель.

Двигатель работал очень долго, что позволило вблизи досконально изучить астероиды, кометы и даже Марс. NASA в 2 раза улучшила технологии, использовавшиеся на «Deep Space 1», и оборудовала миссию «Dawn» тремя резервными ионными двигателями. Это позволило кораблю выйти на орбиту астероида Веста, произвести необходимые исследования, покинуть орбиту и отправиться к астероиду Церера, произведя там еще несколько исследований.

Ионными двигателями пользовались, чтобы вывести космический корабль «Smart-1» с земной на лунную орбиту. Ими был оснащен японский космический корабль «Хаябуса». Исследования показали, что ионные двигатели могут беспрерывно работать около 5 лет. Благодаря этим успехам, мы скоро увидим еще больше космических аппаратов на ионных двигателях. К тому же, эти двигатели постоянно усовершенствуются.

Как было сказано раньше, ионные двигатели имеют маленькую тягу, но уже есть идеи относительно ее увеличения. Первая предлагает значительно увеличить количество электроэнергии для ускорения ионов. В NASA рассматривали создание ионного двигателя на ядерном реакторе вместо солнечных батарей. В одном из экспериментов, аппарат был оборудован ядерным двигателем на ксеноне. Целью исследований были все большие ледовые спутники Юпитера: Ганимед, Каллисто, Европа. Этот космический корабль должны были запустить на орбиту Земли тремя отдельными частями, и, после состыковки на орбите, отправить на Юпитер. На корабле должны были установить 8 ионных двигателей, чтобы в течение 3 месяцев исследовать Каллисто, еще 3 месяца Ганимед, и потом вывести корабль на орбиту Европы. А если будут благоприятные условия, то изучить еще и Ио. Но… что-то пошло не так и в 2005 году миссию отменили.

Читайте также:  Генератор для ветряного двигателя своими руками

Развитие ионных двигателей продолжается и сегодня. На данный момент, NASA тестирует двигатель высокой тяги Х3. Это двигатель на эффекте Холла, имеющий большую тягу (5,4 ньютона). Достаточно скромно, но не забывайте, что раньше исчисление было в миллиньютонах. Развив эту технологию до максимума, можно отправить астронавтов на Марс, сокративши время миссии до нескольких месяцев. Инженеры будут тестировать Х3 на протяжении 100 часов, чтобы проверить, выдержит ли он долговременную работу, как меньшие ионные двигатели.

А недавно был слух, что Европейское Космическое агентство протестировало ионный двигатель, который работает на воздухе. Инженеры предлагают полностью отказаться от топлива, вместо этого на низкой орбите космический корабль будет втягивать молекулы воздуха прямо с верхних слоев атмосферы, а потом будет ионизировать их и выкидывать их обратно в пространство. Учитывая, что корабль будет иметь безлимитный запас солнечной энергии, а топливо будет генерироваться прямо из атмосферы, он сможет очень долго работать без дозаправки. Космические корабли смогут функционировать на нижней высоте, а космические станции пребывать на низкой земной орбите без дозаправки. Это может кардинально изменить правила игры не только на Земле, но и на Марсе, Венере или Титане, везде, где есть атмосфера. Ионные двигатели уже внесли свой вклад в исследование космоса, а через несколько лет ими будут оснащены еще больше миссий. Вероятно, именно эти двигатели в ближайшее десятилетие доставят астронавтов на Марс.

Источник

Ионный двигатель: невероятная скорость уже в наши дни

Ионный двигатель создает возможность разогнать космический аппарат в условиях невесомости до скоростей, которые и не снились жидкостным и химическим реактивным двигателям.

Этот двигатель основан на создании реактивной тяги ионизированного газа, разогнанного до невероятных скоростей в электрическом поле. Устройство такого двигателя описал русский ученый К.Э. Циолковский в 1906 г. В дальнейшем его теория дорабатывалась и уточнялась. Теперь она находит практическое применение на орбите.

Ионный двигатель работает, используя ионизированный газ и электричество. Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон), иногда и ртуть. Газ подается в ионизирующую камеру двигателя, где нейтральные молекулы становятся положительно заряженными ионами. Зажигание двигателя начинается с кратковременной подачи электронов , выбрасываемых в ионизирующую камеру. Для «отсеивания» электронов в камере устанавливается трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 положительно-заряженной и отрицательно-заряженной сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней и -225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, сообщая тягу космическому кораблю. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу.

Для выработки электричества в настоящее время используются солнечные батареи, но в дальнейшем планируется использовать термоядерные установки, которые быстрее появятся в космосе чем на земле. Отдельно про термоядерные двигатели читайте в этой статье .

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

Итак, преимущества ионного двигателя:

– потенциально высокая конечная скорость разгоняемого крейсера Аврора космического челнока;

– большой удельный импульс. У ионного двигателя он самый высокий из всех существующих двигателей, так как на свою мощность он тратит сопоставимо мало топлива, в отличие от тех же жидкостных движков.

– 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 требует высокой степени очистки, чего не скажешь о керосине для ЖРД.

– простота конструкции, ремонтопригодность

– 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: когда полетим в дальние дали?

Применение ионных двигателей в космических аппаратах открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов. Современные перспективы таковы, что доля запускаемых тяжелых космических аппаратов массой больше 1 тонны неуклонно снижается и составляет не более 30% от всех запусков. Все более востребованными становятся малые космические аппараты весом от 100 кг до 500 кг, находящиеся на низкой околоземной орбите до 1000 км и функционирующие в течение 5-10 лет. К малым космическим аппаратам относятся спутники и системы мобильной связи и радионавигации, мониторинга Земли, атмосферы и околоземного космического пространства.

Читайте также:  Сколько кушает газель с 402 двигателем

Ионные двигатели в ближайшем будущем позволят заменить 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.

Характеристики электроракетных двигателей определяются не только скоростью истечения заряженных частиц, но и плотностью тяги — значением силы тяги , приходящимся на единицу площади отверстия, через которое эти частицы истекают. Возможности ионных и аналогичных электростатических двигателей ограничиваются объемным зарядом , который налагает очень низкий предел на достижимую плотность тяги. Дело в том, что по мере прохождения положительных ионов через электростатические сетки двигателя между ними неизбежно накапливается положительный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля, ускоряющего ионы.

Из-за этого тяга двигателя зонда Deep Space 1 эквивалентна примерно весу листа бумаги, что очень далеко от тяги двигателей в научно-фантастических фильмах вроде «Интерстеллар». Для разгона тонны веса с помощью такой силы от нуля до сотни при отсутствии сопротивления движению потребовалось бы более двух суток. В космическом вакууме, который не оказывает сопротивления, придать аппарату большую скорость способна даже очень слабая сила, если она действует достаточно долго.

Ионный, холловский и плазменный — три типа плазменных двигателей, уже нашедших практическое применение. За последние десятилетия исследователями предложено много перспективных вариантов. Разрабатываются двигатели, работающие в импульсном и в непрерывном режиме. В одних плазма создается с помощью электрического разряда между электродами, в других — индуктивным способом с помощью катушки или антенны. Различаются и механизмы ускорения плазмы: с использованием силы Лоренца, путем введения плазмы в создаваемые магнитным способом токовые слои, или с помощью бегущей электромагнитной волны. В одном из типов даже предполагается выбрасывать плазму через невидимые «ракетные сопла», создаваемые с помощью магнитных полей.

Черепаха все равно побеждает

Во всех случаях плазменные ракетные двигатели набирают скорость медленнее обычных. Тем не менее благодаря парадоксу «чем медленнее, тем быстрее» они позволяют достичь далеких целей в более короткий срок, так как в итоге разгоняют космический аппарат до скорости значительно большей, чем двигатели на химическом топливе при той же массе топлива. Это позволяет избежать траты времени на отклонения к телам, обеспечивающим эффект гравитационной пращи . Как в знаменитой истории о медлительной черепахе, которая в итоге обгоняет зайца, в длительных полетах, которыми будет наполнен наш век, «черепаха» все равно победит.

Еще больше интересных статей — подписывайся!

Источник

Электроракетный двигатель принцип работы

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель)

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы

Принцип работы основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

В таких двигателях в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического аппарата.

Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютон. Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.

История возникновения электрических ракетных двигателей

Впервые идею использования электрической энергии высказывал К.Э. Циолковский в 1912 г. В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Вестник воздухоплавания, №9, 1912 г.) он писал: «… с помощью электричества можно будет придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам…»

В 1916-1917 гг. Р. Годдард экспериментально подтвердил реальность осуществления этой идеи.

В 1929-1933 гг. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих электрических ракетных двигателей. Впоследствии на некоторое время работы по разработке ЭРД были прекращены.

Они возобновились только в конце 1950-х – начале 1960-х гг. и уже к началу 1980-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций электрических ракетных двигателей в составе космических аппаратов и высотных атмосферных зондов.

Читайте также:  Какую работу совершает двигатель мощностью 600 вт за 30 секунд

В настоящее время ЭРД широко используются в космических аппаратах: как в спутниках, так и в межпланетных космических аппаратах.

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей

По принципу действия:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Источник

Adblock
detector