Автор Тема: Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель  (Прочитано 322 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
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.

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. arch.jpg

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.
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.


http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/reaktivnaya-tyaga-ili-kak-ustroen-ionnyi-reaktivnyi-dvigatel

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
Ксенон имеет еще и максимальную атомную массу, что вдвойне приятно
Может быть когда -нибудь подключат химиков -органиков, которые синтезируют вещества легко образующие молекулярные ионы с молекулярной массой 500-1000, и низкую энергию ионизации, что позволит резко увеличить импульс ионных двигателей

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
"ИРД используются и в наше время."
Кто и где использует ИРД ?
« Последнее редактирование: Января 9, 2018, 16:05 от radio.elektronik »

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
На Спутниках, первые опыты были еще лет 20 назад

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
На Спутниках, первые опыты были еще лет 20 назад
В физике нет описания как движется массивное тело в силовом поле, а затем по инерции при выходе из поля. При притяжении и отталкивании это мат описание должно быть разным.
Возможен выход из поля, при дальнейшем инерционном движении?
Если движутся ионы, то является ли это движение электрическим током. А если является, то замкнут ли контур тока? Сказать проще: нарисуйте электрическую схему цепи тока.

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
Все это работает, как ослик и морковка, весящая перед его мордой.  Здесь скорее не электрическая а конструкционное решение
Кроме ионного потока  здесь есть еще и исходящий электронный луч для нейтрализации заряда всего устройства

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
Все это работает, как ослик и морковка, весящая перед его мордой.  Здесь скорее не электрическая а конструкционное решение
Кроме ионного потока  здесь есть еще и исходящий электронный луч для нейтрализации заряда всего устройства
Ослик с морковкой - это принцип вечного двигателя (ВД). То же самое делал барон Мюнхгаузен, вытаскивая себя  за волосы из болота. Если не признать эфир, то закон сохранения импульса - фикция. О чём Борис Попов и говорил. От эфира можно оттолкнуться. А от пустоты - нет.
« Последнее редактирование: Января 10, 2018, 08:24 от radio.elektronik »

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
На Спутниках, первые опыты были еще лет 20 назад
И каковы результаты опытов?
 Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американцев от применения электрических и ионных двигателей.
Ионный двигатель

« Последнее редактирование: Января 10, 2018, 08:23 от radio.elektronik »

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
У каждого двигателя есть свои недостатки . Для совершенствования и дальней разработки ионных и ионно-плазменных двигателей нужна база на Луне. Выхлоп такого двигателя должен идти через линейный ионный ускоритель, что позволит увеличить скорость ионов на  выходе и соответственно импульс создаваемый двигателем

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
У каждого двигателя есть свои недостатки . Для совершенствования и дальней разработки ионных и ионно-плазменных двигателей нужна база на Луне. Выхлоп такого двигателя должен идти через линейный ионный ускоритель, что позволит увеличить скорость ионов на  выходе и соответственно импульс создаваемый двигателем
Из WIKI:
Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов).
Даже не 1 Ньютон...

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
О том и речь, на Земле работать с такими устройствами сложно, Луна самый раз, маленькая гравитация, пустынные просторы и  вакуум. Ничто не мешает истеканию ионной струи. можно ставить эксперименты и дорабатывать движок. Идеальный случай, если удастся отказаться от ксенона и вместо рабочего тела использовать лунный грунт, например в виде плазмы.

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
Есть несколько вопросов:
1. Вакуум или эфир оказывает сопротивление движению? И кто это изучал?
2. Разгоняться на ионном двигателе надо долго. Каких скоростей можно достичь? Можно ли превысить скорость света? Есть ли ограничитель роста скорости?
3. Если летим на Марс, и уже разогнались, то как затормозить?
4. Если для разгона и торможения нужен газ - вещество, то сколько такого вещества надо взять с собой, чтобы совершить полёт на Марс? А случайно потеряв вещество можно оказаться в беспомощном состоянии - с огромной скоростью, и с невозможностью остановиться. То же будет и при поломке двигателя, и при поломке солнечных батарей.
5. Нет ли другого, более простого и более эффективного двигателя для перемещения в эфире-вакууме? Кто ставит опыты на эту тему?

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
Есть несколько вопросов:
1. Вакуум или эфир оказывает сопротивление движению? И кто это изучал?
2. Разгоняться на ионном двигателе надо долго. Каких скоростей можно достичь? Можно ли превысить скорость света? Есть ли ограничитель роста скорости?
3. Если летим на Марс, и уже разогнались, то как затормозить?
4. Если для разгона и торможения нужен газ - вещество, то сколько такого вещества надо взять с собой, чтобы совершить полёт на Марс? А случайно потеряв вещество можно оказаться в беспомощном состоянии - с огромной скоростью, и с невозможностью остановиться. То же будет и при поломке двигателя, и при поломке солнечных батарей.
5. Нет ли другого, более простого и более эффективного двигателя для перемещения в эфире-вакууме? Кто ставит опыты на эту тему?
Вы написали целую программу исследований, может вам прямо к Рогозину пойти или к Путину доверенным лицом?
Наивность ваша велика, вы считаете, что все давно исследовано и изучено, я так не считаю, потому что 30 лет отдал науке и неисследованого гораздо больше, чем исследованного.
Вы можете сами ответить на эти вопросы и ваши ответы почти наверняка совпадут с моими. Это говорит лишь о том, что этой тематикой нужно заниматься

Онлайн radio.elektronik

  • Moderator
  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 1 364
  • Репутация: +15/-2
  • Пол: Мужской
  • Пургаторий – это свалка роботов и идей.
Вы написали целую программу исследований, может вам прямо к Рогозину пойти или к Путину доверенным лицом?
Наивность ваша велика, вы считаете, что все давно исследовано и изучено, я так не считаю, потому что 30 лет отдал науке и неисследованого гораздо больше, чем исследованного.
Вы можете сами ответить на эти вопросы и ваши ответы почти наверняка совпадут с моими. Это говорит лишь о том, что этой тематикой нужно заниматься
1. Путин и Рогозин. Путин мои работы отдаёт на проверку таким как Вы. И они естественно тупят. Потому Путин меня никуда не берёт.
Рогозин и его ВПК тоже считают, что работать со мной - это продвигать альтернативную теорию. А продвигать альтернативную теорию - должен сам автор этой теории, то есть я. Но я не считаю свою работу альтернативной теорией. Я считаю, что официальная физика завралась. Так, что с Рогозиным мы расходимся во мнениях, и я там не нужен.
2. Неисследованного в науке больше. Это хороший ответ. Но надо добавить: ещё много в науке лжи - то есть неправильно созданных теорий. Эту ложь создали МЭТРЫ науки, перед которыми Вы благоговеете. или стоите на задних лапках. А я же революционер.  Моя задача - уничтожить всю ложь. И мирным путём, путём доказательств и дискуссий смести эту ложь не удастся. Официальная Наука не умеет слушать и вникать в доказательства. Она борется за деньги. Ей сечас не до того. Реформа РАН - это борьба за средства. И академики пока проигрывают.
3.
"Вы можете сами ответить на эти вопросы и ваши ответы почти наверняка совпадут с моими. Это говорит лишь о том, что этой тематикой нужно заниматься"
Согласен. Занимаюсь. В области термо-электроники. В области механики. Не хватает аппаратуры для опытов. Например, хотелось бы исследовать вращение маховика в вакуумной камере на магнитной подвеске. Такие маховики есть. Но их просто крутят и никто не снимает характеристики - кривую торможения... Будем надеяться на лучшее... Может повезёт.

Оффлайн Arkadiy

  • Эксперт
  • *****
  • Сообщений: 10 096
  • Репутация: +38/-11
С наступающим Старым Новым ГОДОМ! Успехов и удачи!