Электростатические двигатели своими руками

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.

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.

Электростатические двигатели своими руками

Indium FEEP Multiemitter (IFM) Nano Thruster — это самый маленький высокоточный ракетный двигатель, созданный в Европе. Он отлично подходит для поддержания и корректировки положения в космосе малых спутников формата CubeSat, а также сведения их с орбиты. Двигательная установка летательного аппарата может состоять как из одного, так и из нескольких таких устройств.

IFM Nano Thruster представляет собой миниатюрный ионный двигатель. Тяга в нем создается потоком ионизированного газа, состоящего из заряженных электрическим полем атомов индия. Конструкция двигателя предусматривает использование этого металла в жидком состоянии. При комнатной температуре индий — твердое вещество, поэтому перед поступлением в двигатель он нагревается.

Центральная деталь Nano Thruster — зубчатая вольфрамовая корона диаметром всего 1 см. Все 28 зубцов короны — это отдельные полые иглы, по которым жидкий индий под влиянием капиллярного эффекта движется от основания к кончику.

В обычном состоянии за счет силы поверхностного натяжения жидкость не вытекает, а удерживается в микроскопических отверстиях на концах игл. Но когда на индий воздействует электрическое поле, на поверхности жидкости образуются мельчайшие конусы, из которых в сторону от основания короны выстреливают положительные ионы, создающие тягу.

Ее сила очень мала, что позволяет с высокой точностью корректировать положение спутника. У IFM Nano Thruster тяга составляет от 10 до 400 микроньютон, пиковое усилие может достигать 1000 микроньютон (1 миллиньютон). Для сравнения, типичный ионный двигатель развивает 20–250 миллиньютон.

Indium FEEP Multiemitter Nano Thruster — это результат 15-летней совместной работы Европейского космического агентства (ЕКА) и австрийской организации FOTEC. В основе устройства лежит изобретение главного технологического центра ЕКА — электростатический ракетный двигатель с термоэмиттером (FEEP). Надежность тонких игл короны подтверждена многими тысячами часов тестов, проведенных в рамках программы ЕКА Technology Development Element. Nano Thruster уже испытан в космосе и теперь продается фирмой ENPULSION — дочерней компанией FOTEC.

Изначально IFM Nano Thruster разрабатывался для проведения высокоточных гравитационных измерений в верхних слоях атмосферы, где приборам необходимо компенсировать небольшое аэродинамическое сопротивление. Сейчас Indium FEEP Multiemitter Nano Thruster используется польско-финским производителем спутников ICEYE. Также рассматривается возможность применения двигателя в будущих проектах ЕКА.

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

  • Назад
  • Вперёд
Читать еще:  Что такое автоматический запуск двигателя по температуре двигателя

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Электрический ракетный двигатель

Электрический ракетный двигатель
Использование
Развитие пригоден для полетов к внешним планетам Солнечной системы [1]
Массогабаритные
характеристики
Рабочие характеристики

Электри́ческий раке́тный дви́гатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц [2] . Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.

Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).

Содержание

  • 1 Введение
  • 2 Классификация ЭРД
  • 3 Краткие технические характеристики
  • 4 История
  • 5 Перспективы
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки
  • 8 Примечания
  • 9 Литература

Введение [ править | править код ]

Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.

С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА [3] .

Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.

Начиная с середины 1960-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 1970-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.

В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.

Классификация ЭРД [ править | править код ]

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.

Электростатические делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) — ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые принято называть стационарными плазменными двигателями (СПД), также встречается (всё реже) наименование — линейный холловский двигатель (ЛХД), в западной литературе именуется холловским двигателем. УЗДУ обычно называются двигателями с ускорением в анодном слое (ДАС).

К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) относят двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, торцевой холловский двигатель — ТХД).

Импульсные двигатели используют кинетическую энергию газов, появляющихся при испарении твёрдого тела в электрическом разряде.

В качестве рабочего тела в ЭРД могут применяться любые жидкости и газы, а также их смеси. Тем не менее, для каждого типа двигателей существуют рабочие тела, применение которых позволяет достигнуть наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак, для электростатических — ксенон, для сильноточных — литий, для импульсных — фторопласт.

Недостатком ксенона является его стоимость, обусловленная небольшим годовым производством (менее 10 тонн в год во всём мире), что вынуждает исследователей искать другие РТ, похожие по характеристикам, но менее дорогие. В качестве основного кандидата на замену рассматривается аргон. Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе. Энергия, затраченная на ионизацию на единицу ускоренной массы, является одним из источников потерь КПД.

Краткие технические характеристики [ править | править код ]

ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 10 20 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.

Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.

ЭРД характеризуются КПД — от 30 до 80 %.

История [ править | править код ]

В 1964 году в системе ориентации советских КА «Зонд-2» в течение 70 минут функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели температуру

30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкФ, рабочее напряжение составляло

1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 году на КА «ЛЭС-6». В 1961 году пинчевый импульсный РД американской фирмы «Рипаблик авиэйшен» (англ. Republic Aviation ) развил на стенде тягу 45 мН при скорости истечения 10—70 км/с.

1 октября 1966 года трёхступенчатой геофизической ракетой 1Я2ТА была запущена на высоту 400 км автоматическая ионосферная лаборатория «Янтарь-1» для исследования взаимодействия реактивной струи электрического ракетного двигателя (ЭРД), работавшего на аргоне, с ионосферной плазмой. Экспериментальный плазменно-ионный ЭРД был впервые включён на высоте 160 км, и в течение дальнейшего полёта было проведено 11 циклов его работы. Была достигнута скорость истечения реактивной струи около 40 км/с. Лаборатория «Янтарь» достигла заданной высоты полёта 400 км, полёт продолжался 10 минут, ЭРД работал устойчиво и развил проектную тягу в пять граммов силы. О достижении советской науки научная общественность узнала из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовали азот. Скорость истечения была доведена до 120 км/с. В 1966—1971 годах запущено четыре подобных аппарата (по другим данным, до 1970 года и шесть аппаратов).

Осенью 1970 года успешно выдержал испытания в реальном полёте прямоточный воздушный ЭРД. В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские учёные — профессор Г. Гродзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин — доложили об испытаниях воздушной двигательной установки. Зарегистрированная скорость реактивной струи достигла 140 км/с.

В 1971 году в системе коррекции советского метеорологического спутника «Метеор» работали два стационарных плазменных двигателя разработки Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и ОКБ Факел, каждый из которых при мощности электропитания

0,4 кВт развивал тягу 18—23 мН и скорость истечения свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений один из двигателей проработал непрерывно 140 ч. Эта электрореактивная двигательная установка изображена на рисунке.

Также электроракетные двигатели используются в миссии Dawn и в проекте BepiColombo.

Перспективы [ править | править код ]

Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами, они способны работать длительное время и осуществлять медленные полёты на большие расстояния [4] [5] . Самые совершённые на сегодняшний день электрические ракетные двигатели имеют ΔV до 100 км/с и при использовании ядерных источников энергии пригодны для полётов к внешним планетам Солнечной системы, но недостаточно мощные для межзвёздного полёта [4] [5] . Если же говорить о межзвездном полете, то электроракетный двигатель с ядерным реактором рассматривался для проекта Дедал, но был отвергнут из-за малой тяги, большого веса необходимого для преобразования ядерной энергии в электрическую, оборудования, и как следствие, небольшого ускорения, которому потребовались бы столетия для достижения нужной скорости [6] [7] [8] . Однако электро-ракетный способ межзвёздного полёта теоретически возможен при внешнем источнике энергопитания через лазер на солнечные батареи космического аппарата [9] [10] [11] .

В настоящее время многими странами исследуются вопросы создания пилотируемых межпланетных кораблей с ЭРДУ. Существующие ЭРД не являются оптимальными для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий, цезий) с электрической мощностью до 1 МВт, способных длительно работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и скорость истечения 20—30 км/с при КПД 30 % и более. В 1975 г. подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил скорость истечения

Кроме России и США исследованиями и разработкой ЭРД занимаются также в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешны разработки Великобритании и Германии, особенно — совместные); СПД и ДАС (Япония, Франция); ЭТД (Франция). В основном эти двигатели предназначены для ИСЗ.

Читать еще:  Что такое форсаж двигателя самолета

Ионная тяга: как человечество использует электрические двигатели для полетов в космос

Ионный двигатель является если не самым перспективным электрическим космическим двигателем, то точно одним из самых используемых сегодня в отрасли. «Хайтек» рассказывает, как работают ионные двигатели, зачем их используют и при чем тут Константин Циолковский.

Читайте «Хайтек» в

Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда гигантскими (или не очень) ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Пока человечество не смогло придумать альтернативу таким двигателям, поскольку для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга: ее могут дать только обычные двигатели.

При этом уже в космосе спутники используют другой тип двигателей — электрические. Самым используемым является ионный двигатель — устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Типы электрических и альтернативных двигателей:

  • Ионные и плазменные накопители

Тип реактивного двигателя, который использует электрическую энергию для получения тяги от топлива: ионизированного газа. Многие из таких спутников не имеют ракетные сопла.

Электродвигатели для космических кораблей могут быть сгруппированы в три семейства в зависимости от типа силы, используемой для ускорения ионов плазмы: электростатический (собственно, классический ионный двигатель), электротермический (в них электромагнитные поля используются для генерации плазмы, что приводит к повышению температуры топлива, а тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую) и электромагнитный (или плазменный, тут ионы ускоряются путем воздействия электромагнитных полей, как правило, земного и искусственного у аппарата).

Это электрические двигатели, также использующие нехимическую энергию для своей работы, однако работающие по другим принципам, нежели ионные. Например, фотонный двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться на энергии фотонов. Гипотетически так смогут работать космические аппараты, управляемые лазерными сигналами с Земли или Луны.

К этой же категории относятся эксперименты по созданию так называемого электродинамического троса, когда спутник может выбрасывать вокруг себя длинные металлические нити с разными электрическими зарядами.

Сейчас ученые разрабатывают еще несколько гипотетических видов двигателей, которые в будущем смогут давать энергию для движения космических спутников: вакуумный двигатель, двигатель внутренних радиочастот и устройство, которое будет брать энергию от полей самых маленьких частиц, например, бозонов. Работоспособность всех этих гипотез пока не доказана с точки зрения физики.

Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством другого пионера космонавтики, американского ученого Роберта Годдарда.

6 сентября 1906 года Годдард писал в своем дневнике, что сможет использовать энергию ионов для работы двигателей. Первые эксперименты с ионными двигателями были проведены Годдардом в Университете Кларка в 1916 году. В итоге ученый заявил, что сможет использовать их в полноценном формате только в условиях, приближенных к вакууму, тогда как в рамках тестирования их показывали при атмосферном давлении Земли.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Горальдом Кауфманом только в 1959 году. В качестве топлива, в отличие от современных аналогичных двигателей, которые перерабатывают ионы газа ксенона, он использовал ртуть. Суборбитальные испытания двигателя прошли в 1964 году, когда в космос на ракете-разведчике был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использующее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 70-х годах США провели ряд повторных испытаний этой технологии.

Принцип работы ионного двигателя

Ионные двигатели используют пучки ионов — электрически заряженных атомов или молекул — для создания тяги. Основным рабочим телом ионизации является газ, иногда ртуть. В ионизатор подается это топливо, после чего туда же запускают высокоэнергетические электроны. В этой камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. После этого в камеру вводят специальный фильтр, который притягивает к себе отрицательные электроны, тогда как положительные ионы притягиваются к ряду сеток с большой разницей электростатических потенциалов (+1090 В на внутренней против -225 В на внешней). В результате такой мощной разницы ионы начинают разгоняться по кругу, пока не выбрасываются из устройства, ускоряя движение корабля. За ними выбрасываются и электроны, которые должны обезвредить ионы и не позволить им притягиваться обратно к двигателю.

Обычно источниками питания для ионных двигателей являются электрические солнечные панели. Однако в местах, куда солнечный свет не попадает, например, когда Земля закрывает Солнце, спутники могут использовать ядерную энергию. «Хайтек» подробно рассказывал о такой советской программе, спутники которой — с крошечными ядерными реакторами — до сих пор находятся на орбите захоронения Земли.

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в космосе, например, для изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Существует также несколько проектов, предполагающих использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

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: один вдоль оси, еще два — на передней и задней панелях. Принцип работы этих двигателей 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 десять раз выше, чем могут это сделать современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту Dawn солнечных батарей и уровня подачи топлива.

Для полета Dawn было 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 девять лет после запуска — станция Dawn разогналась до 39 900 км/час (11,1 км/с).

1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо. Последние несколько лет инженеры НАСА занимаются разработкой новых двигателей, рассчитанных на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса станции за счет топлива негативно сказывается как на скорости передвижения аппарата, так и на дальности полета.

Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд, на котором установлены четыре ионных двигателя IES, может менять направление полета за счет этих двигателей. Они могут поворачиваться в разные стороны, но за счет электромеханической системы, питающейся от солнечных батарей. При этом ксенон массой в 73 кг хранится в 51-литровом топливном баке: такую конфигурацию удалось получить за счет того, что этот газ в полтора раза плотнее воды, и, соответственно, занимает меньше места.

Пока космические агентства исследуют возможное применение ионных двигателей в будущем. НАСА запланировало даже установить ионный двигатель нового поколения ISS Vasimr на МКС. Однако в 2015 году отменило этот проект, заявив, что пока «МКС не является идеальной демонстрационной площадкой для работы двигателей такого типа». Дело в том, что Vasimr должен был стать первым полноценным электротермическим ракетным двигателем, который позволил бы создавать тягу, аналогичную химическим двигателям. Это позволило бы в будущем использовать его даже для запусков ракет-носителей с Земли.

НАСА пришло к решению отменить тестирование Vasimr, поскольку ученые до конца не смогли найти источник энергии, на котором бы работал этот двигатель. Самым перспективным источником энергии могла стать термоядерная установка, однако ее использование на МКС могло быть небезопасной.

Из-за этого сейчас ионные двигатели продолжают рассматриваться в основном в качестве дополнительных двигателей на различных спутниках, с помощью которых зонды смогут совершать маневры в космосе. Другим перспективным направлением для использования двигателей такого типа может стать космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионными двигателями могут стать идеальным решением этой проблемы.

Дисковый электростатический мотор

Электростатический дисковый мотор

Принцип Электростатической машины Influenzmaschine является обратимым. Если две машины связать друг с другом, одна может быть генератором а другая мотором Motor . Несколько улучшенный и более простой принцип только с одним диском и без Нейтрализаторов применен в этом простом опыте. Диск — здесь это печатная плата из фольгированного стеклотекстолита 13 см диаметром, на котором вытравлено 20 сегментов . Подшипник — это очень легко трущийся пластиковый подшипник. Напряжение подают с обеих сторон на жесть и одновременно на дуги из проволоки в верхнюю часть диска так чтобы они касались его поверхности и при вращении сегментов.

Читать еще:  Бензин заливает двигатель опель

Проволочки-иголки лежат точно в направлении движения (в направлении против часовой стрелки) выше уголка из сетчатой жести. В проволочке-иголке возникает коронный разряд, вследствие чего заряды переносятся на сегмент диска. Затем он отталкивает себя от одноименно заряженной жестянки. Вследствие этого раскручивается сам мотор. На противоположной стороне заряды обратной полярности откачиваются проволочкой из секторов которые и отталкиваются также заряженной жестью, прежде чем заряд снова перенесется проволочкой-острием обратной полярности и вновь отталкивание возобновляется. Принцип можно формировать для демонстрационной четырехполюсной модели гораздо более эффективно. Сверх этого будут всегда два смежных электрода подающих с различной полярностью. Равнополюсные электроды лежат друг напротив друга. Четырехполюсное исполнение является компенсированным, так как заряженный сегмент имеет более значительный заряд по отношению к следующему электроду, таким образом действие его более мощно.

Второй комплект коронирующих заостренных электродов которые кое-что кончаются в середине электродов между двумя обкладками, имеют функцию выбрасывать заряды еще эффективнее на сегменты. Так как непосредственно под первым коронирующим электродом находится одноименно заряженный диск. Вследствие этого много зарядов отталкиваются и таким образом многие не могут собраться на сегменте. В середине между обоими сегментами начинает действовать уже сила отталкивания следующего электрода Косым положением коронирующих электродов достигают, что бы заряды стекали

несколько косо, более по касательной к радиусу диска, к направляющей его вращения и таким образом заряды отсасываются на сегменты более действенно.Все же и короткий электрод важен, чтобы появилась сила отталкивания, а неодноименные заряды удалялись точно тогда, когда сегмент прешел край электрода . Потому что сила отталкивания была бы направлена против направления вращения диска и тормозила бы его. Эта функция может быть сравнима например с Нейтрализатором, в Электрофорной машине, Influenzmaschine только что заряды отводятся здесь не относительно земли, а одинаково на противоположные полюса.

Это видео показывает, как мотор запитывается Электрофорной машиной, Influenzmaschine . Уже после нескольких оборотов он начинает раскручиваться самостоятельно. Разгон сопровождается сильным шелестом, который растет с увеличением числа оборотов. Это нужно приписывать очень незначительному току при разгоне. Вследствие этого исходное напряжение Электрофорной машины может быть вначале гораздо более высоко, чем позднее, когда мотор потребляет уже больший ток.

Если мотор запитывается от строчного трансформатора Zeilentrafo то разгон гораздо сильнее, так как он выдает больший ток. В фоновом режиме можно слышать звуки после включения строчного трансформатора. Также здесь мотор шелестит в начале гораздо сильнее, так как в этом случае напряжение без тока нагрузки поднимается легко. Напряжение было установлено при этом видео немного ниже напряжения пробоя и равнялось 18 кВ.

Конструирование:

При конструировании этой модели необходимо придерживаться нескольких важных пунктов:

  • Пошипник должен быть очень легко-вращающимся и находится в состоянии скольжения. Все нормальные шарикоподшипники со смазочным материалом не подходят, они имеют слишком большое трение. Лучше всего подойдут подшипники из пластмассы со стеклянными шариками. Эти подшипники не смазывающиеся, и они легко приходят в состоянии скольжения. Если в вашем распоряжении нет никакого пластмассового подшипника нормальные также можно использовать, если всю смазку вымыть наружу и подшипник использовать сухим, без сальниковых колец. Диск должен вращаться в любом случае так легко, что бы вращение длилось около одной минуты, при прокручивании его от руки!
  • Все углы и канты должны округляться. Особенно в дисках важно, чтобы не встречался никакой коронный разряд так как иначе заряды обратной полярности попадают на сегменты и ослабляют мощность двигателя. Все винты должны быть заглублены и быть окружены круглыми кантами. Также основания для электродов округлены на нижней стороне и укреплены снизу винтами из пластмассы на фундаментной плите.
  • Коронирующие электроды должны быть обработаны очень чисто исключая любую заостренность. Уже маленькая округлость во главе, которая может возникнуть из-за повреждения, может предотвратить создание коронного разряда . Это должно контролироваться в затемненном помещении, есть ли на каждом электроде корона. Поэтому может быть, что один или несколько электродов не работают правильно и мотор может не достигать высокого числа оборотов.

Размеры:

Плексиглас ( Makrolon ) 15 x 15 cm 6 mm толщиной

Стеклотекстолит 13 cm диаметром, 1,5 mm толщиной20 сегментов, 30 mm длиной, снаружи 7 mm , внутри 5 mm толщиной, закругленные по краям

Синтетический, Type : CM 626, не смазываемый ID : 6 mm , AD :19 mm

5 mm толщины Алюминиевый стержень20 mm промежуток друг меду другом

4 mm толщина Алюминиевый стержень, ca . 60° заточка.короткий электрод: 30 mm длины
длинный электрод: 50 mm длины

1,5 mm толщины Алюминиевый лист, с закругленными краями40 mm длины, снаружи 25 mm , внутри 20 mm ширины

Топологический чертеж ротора

Ротор изготовлен травлением из односторонней покрытой медью платы из стеклотекстолита . Габариты ограничительного квадрата составляют 140x140mm. Белые площади будут вытравлены , черные останутся. Диск вырезается по внешнему кругу. Нужно обращать внимание, чтобы это кольцо меди не осталось, так как может дойти до коронных разрядов и коротких замыканий. В крайнем случае медь должна быть спилена по краю.

Наблюдения и измерения

  • нтересно, что сконструированный таким образом мотор вращается всегда только в одном направлении, без разницы какой полярности к нему приложено напряжение. Направление вращения определяется только геометрическим расположением коронирующих электродов по отношению к электродам на диске.
  • Можно попытатся сделать вывод из этого, что он должен был бы функционировать также и с переменным током. Однако, опыт запитки мотора с CW-Teslatrafo при 1,3 Мгц показал, что ничего не работало. С импульсным TeslaТрансформатором Impuls-Teslatrafo напротив, можно устанавить совершенно легкое вращение, что я приписываю остающей постоянной составляющей и возникающей обратной составляющей при зажигании искры. Напротив, при более низких частотах, как например, с поджигающим трансформатором при 10 кВ и 50 Гц он достигает уже 200U / минуту.
  • Впредь еще нужно обдумать, потому что этот электростатический принцип не является обратимым. Если электроды замыкаются накоротко после поднимайся, то мотор не тормозит сильнее, как это был бы в случае с магнитным мотором. Даже если диск находится под нагрузкой, никакое изменение и трансформация зарядов в электродах не возникает!
  • Еще гораздо интереснее, что ток мотора возрастает только с ростом числа оборотов. В момент разгона ток так незначителен, что он не поддается измерению. Только если сегменты приходят в движение, заряды перетекают и ток начинает течь. Если мотор нагружается, то число оборотов вследствие этого вынужденно падает но ток не растет!

Это странное поведение исследовалось следующими измерениями. Для этих диаграмм строчный трансформатор Zeilentrafo с более постоянным напряжением нагружался 4-х полярным мотором. Ток мерился в земляном проводе микроамперметром ( µA), а число оборотов бесконтактным методом при помощи оптического датчика. Отдельные кривые показывают ток для постоянного напряжения при поднимающейся вплоть до максимума числа оборотов. Повышение тока разгона, как в случае с электромагнитными моторами, отсутствует полностью.Далее следует учесть, что продолжая кривую для 17 кВ, она не пересечет координату тока в нуле. Из этого следует, что здесь присутствует уже около 2 µA потерь на коронные разряды, которые не встречают сегменты. При около 18 кВ происходят уже первые электропробои.

В эту диаграмму вносились достигнутые максимальные числа оборотов с соответствующими этому токами при различных напряжениях. Отчетливо можно определить, что число оборотов возрастает линейное с напряжением, ток растет, однако в квадрате к числу оборотов. Из тока и напряжения ожидаемая кривая вычисленной мощности нагрузки похожа по существу на кривую движения в воздухе. (имеются очевидно ввиду потери на трение в воздухе [ MSN ]) Похоже на характеристики вентилятора где она возрастает пропорционально числу оборотов.

Из этого можно сделать вывод, который очень важен: для электростатического мотора ток для числа оборотов, а напряжения для крутящего момента. Наоборот как в случае с электромагнитным мотором. Более высокое напряжение вызывает более сильное и мощное действие на сегменты и таким образом получается более высокий крутящий момент. Однако, тем не менее, ток поднимается только как последствие более высокого числа оборотов и связанной вместе с тем повышенной нагрузки. Это также прекрасно указывает пример с электростатическим цилиндрическим двигателем Walzenl?ufer который нуждается более чем в 10 кратном токе. Для мощного действия ток не ответственен никоим образом. Он является только побочным продуктом и возникает, когда заряды переносятся на сегменты (похожий случай как при проблеме конденсатора Kondensatorproblem и нужно сравнивать с EMK в случае электромагнитного мотора.

Реакция тока могла бы быть убрана, если не отводить заряды, а только перебрасывать

их вокруг зон коллектора, при этом, однако, речь не идет об источниках напряжения.

Для этого можно было бы воспользоваться эффектом чаши фарадея Faraday Faraday-Bechers

которая может принимать все заряды предмета и сохранять. Этот эффект мог бы

применяться, чтобы удалять заряды после прохождения электрода с сегментов диска, а

затем сохранять его и передавать снова на противоположную сторону.

Всем этим странным, необратимым поведением неизвестны электромагнитные моторы. Они ведут себя частично и даже полностью противоположно этому. Одно из этих поведений с действием диода могло бы указывать на то, что в электростатике скрыт принцип Свободной энергии. Testatika показывает нам это.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector