Ионный двигатель своими руками
Обновлено: 03.07.2024
Плазменные двигатели основаны на получении тяги за счёт рабочего вещества, которое находится в состоянии плазмы. Они представляют собой разновидность электроракетных двигателей (ЭРД), мощность которых в настоящее время всё ещё невелика. Дальнейшее развитие этой технологии связано с созданием двигателя нового поколения — безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД). Российские специалисты в этом направлении разработок на данный момент продвинулись намного дальше зарубежных аналогов. Перспективный российский БПРД способен обладать высокими характеристиками, что сможет обеспечить серьёзный рост его мощности. Кроме того, высокая энергетическая эффективность позволяет использовать в качестве рабочего тела такого плазменного двигателя практически любое вещество.
Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя
В то время подобные разработки не смогли стать основой каких-либо полноценных технических решений: они могли действовать только в условиях, максимально приближённых к вакууму. Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Учёными этих стран к тому времени были обоснованы принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счёт ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Гарольдом Кауфманом в 1959 году. В качестве топлива он использовал ртуть. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964 году, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 1970-х годах в США провели ряд повторных испытаний этой технологии, но в дальнейшем развивать её не стали.
В настоящее время именно калининградские СПД лидируют в мире по характеристикам достигнутой мощности и производительности. Они широко востребованы многими зарубежными производителями коммерческих геостационарных спутников и применяются для поддержания их орбит. Российские СПД сделали возможным создание спутников без использования химической тяги, основанной на весьма токсичном топливе.
Схема работы плазменного двигателя
Самыми используемыми в настоящее время пока что являются устройства, так или иначе действующие на эффекте Холла.
Схема ионного двигателя
На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в ближнем космосе — как правило, для удержания параметров стационарной орбиты, изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Но существует и несколько проектов, связанных с использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.
Самым известным из них стала автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА . В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Аппарат Dawn был оборудован тремя компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, которые разгоняли атомы до скорости в десять раз выше, чем могли это сделать современные химические двигатели.
Для полета Dawn требовалось в среднем 3,25 мг топлива в секунду, а на борту аппарата разместилось 425 кг ксенона. Через девять лет после запуска станция Dawn разогналась до скорости 39 900 км/час (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо.
Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками
Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.
Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).
Оптимизированная система СМОЛА (отмечены два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек)
Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:
- Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
- Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
- Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.
Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.
Кто займётся реализацией проекта
Какой мощностью будет обладать новый двигатель
Инженеры НАСА в последние несколько лет занимаются разработкой новых плазменных двигателей в прежних схемах, рассчитанных лишь на увеличенное количество ксенона. В этих разработках пока есть сложность, поскольку увеличение веса космических аппаратов за счёт топлива негативно сказывается как на скорости их передвижения, так и на дальности полёта.
Аппарат Dawn с компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR
Мнение экспертов
По мнению специалистов отрасли, это связано прежде всего с отсутствием практической востребованности таких разработок для текущей российской космической программы. При этом не следует забывать и о достаточно высокой стоимости оборудования, необходимого для проведения подобных исследований и разработок.
В то же время мнение экспертов однозначно склоняется к тому, что для космических запусков ракет-носителей традиционные химические двигатели будут применяться ещё очень долго. Плазменные двигатели требуют мощного источника электрической энергии, но и с ним способны обеспечить лишь очень малую тягу, притом с затратами большого времени на разгон и торможение. В то же время такие двигатели за счёт малых запасов рабочего тела весьма эффективны для работы в открытом космосе.
Чем уникальна новая российская разработка
Проект российского БПРД в параметрах, заявленных конечной целью проводимой доработки его конструкции, сможет обладать высочайшей энергоэффективностью. Его максимальные параметры мощности ограничиваются только мощностью подпитки высокочастотного генератора, которая на данный момент потенциально очень высоки благодаря недавним открытиям в области термоядерного синтеза.
Кроме того, российская разработка способна применять в качестве рабочего тела почти любое вещество. В существующих СПД большую проблему представляет собой эрозия электродов даже в инертных рабочих телах. Так как ограничения на воздействие рабочего вещества с конструктивными элементами БПРД сняты, то подобный двигатель будет обладать огромным рабочим ресурсом.
Российский ЭРД в действии
Достоинства и недостатки
- Высокий импульс;
- Малая масса расходуемого рабочего тела;
- Малые габариты самого двигателя.
В то же время свойственные таким двигателем недостатки сводятся к главному: слишком малой тяге. Они существенно уступают по данным показателям обычным ракетным двигателям, что делает их использование крайне неэффективным. Кроме того, весьма высоки затраты энергии на ионизацию. К тому же в условиях земной атмосферы высвобождаемые ионы крайне химически активны, образуя весьма агрессивные соединения.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Всем привет. Сломалась дома мультиварка Raimond RMC-M20 При включении в сеть шнуром питания -сразу включается и начинает греться - забирает 700wat . На кнопки на панели НЕ реагирует, индикатор НЕ светится. Разобрал, долез до платы блока питания. На трёх контактном выходе есть 5в и 3в. НЕ маловато ли напряжение -помоему 12в и 5в должно быть .
А вообще есть что-то из инструмента, не считая пилы и молотка? Хотя. Вы зря считаете что вам все сразу побегут на помощь. Если уж скачать (а там просто так не скачаешь - нужно отдать фунт плоти) сложно, то как вы его желаете отремонтировать, слабо понимая какие процессы там происходят и как оно вообще? Вопрос совсем не праздный.
Куча диодов не самый разумный способ)имхо. светодиоды питаю шимкой с ругулировкой яркости - за все время ни один не перегорел, лопает почти 3А, и все равно света мало
Всем привет. Кто может подсказать что за фокусы происходят с БП. Первые две картинки просадка на 0.03V при разных просадках. На последнем рисунке и проверенном в железе просадки нет. R18 в симе 47R в железе 0.2R. 4.7484V так и стоят при нагрузке. У кого какие мнения. xxxx 2022.ms14
Кнопка пуск и плавное включение нагрузки. Минус управляющий на другом устройстве не нашёл. Попробовал, как на фото. Всё работает. Как то кривовато по кнопке, но плавный пуск идеален. Покритикуйте пожалуйста, шлифануть бы схему. Затыкается в ноль.
Я же не спрашиваю вас квод это или нет..и на что Вы повелись.. я буду заниматься тем что мне интересно. И можете дергаться сколько хотите. finnn32 спасибо мне срач тоже не интересен. и участвовать в нем я больше не буду.
Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Ракета взлетая с земли расходует практически все свое топливо, плюс заряды ускорителей и ступеней. И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно двигаться дальше. А топлива нет.
Устройство ионно плазменного двигателя
Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.
Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.
С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.
В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).
В данной статье мы напишем про современные ионные двигатели и их перспективные разработки, так как на наш взгляд именно за ними будущее космического флота.
Ионный двигатель использует в качестве топлива ксенон или ртуть. Первый ионный двигатель назывался сетчатый электростатический ионный двигатель.
Принцип его действия таков:
Положительные же ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона.
Российские ионные двигатели. На всех хорошо видны катодные трубки, направленные в сторону сопла
Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:
Чтобы ионный двигатель работал нужны всего две вещи – газ и электричество. С первым все просто отлично, двигателю американского межпланетного аппарата Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета в течении почти 6 лет потребуется всего 425 килограммов ксенона. Для сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.
Одно плохо – ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50–100 миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составит порядка 10 километров в секунду.
Тест ионного двигателя для корабля Deep Space
Недавние испытания проведенные американской компанией Ad Astra Rocket, проведенные в вакуумной камере показали, что их новый Магнитоплазменный двигатель с переменным удельным импульсом” (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) VASIMR VX-200может дать тягу уже в 5 ньютонов.
Второй вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут есть два пути – заправляемые батареи например тритиевые, выводимые на орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и будет питать кораблю на протяжении всего полета.
Еще в 2006 году Европейское космическое агентство (European Space Agency) и Австралийский национальный университет (Australian National University) успешно провели испытания нового поколения космических ионных двигателей, достигнув рекордных показателей.
Двигатели, в которых заряженные частицы ускоряются в электрическом поле — давно известны. Они применяются для ориентации, коррекции орбиты на некоторых спутниках и межпланетных аппаратах, а в ряде космических проектов (как уже осуществившихся, так и только задуманных — читайте тут,тут и тут) — даже в качестве маршевых.
С ними специалисты связывают дальнейшее освоение Солнечной системы. И хотя все разновидности так называемых электроракетных двигателей сильно уступают химическим в максимальной тяге (граммы против килограммов и тонн), зато кардинально превосходят их в экономичности (расходе топлива на каждый грамм тяги за секунду). А эта экономичность (удельный импульс) прямо пропорционально зависит от скорости выбрасываемой реактивной струи.
Как ясно из названия разработки, такая скорость достигнута двухступенчатым процессом разгона ионов при помощи четырёх последовательных решёток (вместо традиционных одной стадии и трёх решёток), а также высоким напряжением — 30 киловольт. Кроме того, расхождение выходного реактивного пучка составило всего 3 градуса, против примерно 15 градусов — у прежних систем.
А вот информация последних дней.
Ионный двигатель (ИД) работает просто: газ из бака (ксенон, аргон и пр.) ионизируется и разгоняется электростатическим полем. Поскольку масса иона мала, а заряд он может получить значительный, ионы вылетают из двигателя со скоростями до 210 км/с. Химические двигатели могут достичь… нет, ни чего-то подобного, а всего лишь в двадцать раз меньшей скорости истечения продуктов сгорания лишь в исключительных случаях. Соответственно, расход газа в сравнении с расходом химического топлива крайне мал.
В 2014 году ионные двигатели справляют полувековой юбилей в космосе. Всё это время проблему эрозии не удавалось решить даже в первом приближении. (Здесь и ниже илл. NASA, Wikimedia Commons.)
Как и всё хорошее, ИД любит, чтобы его питали: на один ньютон тяги нужно до 25 кВт энергии. Представим, что нам поручили запустить 100-тонный космический корабль к Плутону (вы уж простите нас за мечтательность!). В идеале даже для Юпитера нам потребуется 1 000 ньютонов тяги и 10 месяцев, а до Нептуна на той же тяге — полтора года. В общем, давайте про Плутоны всё-таки не будем, а то грустно как-то…
Ну а чтобы получить эти пока умозрительные 1 000 ньютонов, нам потребуется 25 мегаватт. В принципе, ничего технически невозможного — 100-тонный корабль мог бы принять атомный реактор. Кстати, в настоящее время НАСА и Министерство энергетики США работают над проектом Fission Surface Power. Правда, речь идёт о базах на Луне и Марсе, а не о кораблях. Но масса реактора не так уж высока — всего пять тонн, при размерах в 3×3×7 м…
Ну ладно, помечтали и хватит, скажете вы, и тут же вспомните частушку, якобы придуманную Львом Толстым во время Крымской войны. В конце концов, такой большой поток ионов, проходящий через двигатель (а это ключевое препятствие), вызовет его эрозию, и значительно быстрее, чем за десять месяцев или полтора года. Причём это не проблема выбора конструкционного материала — благо разрушаться в таких условиях будут и титан, и алмаз, — а неотъемлемая часть конструкции ионного двигателя per se.
Так вот, исследователи из Лаборатории реактивного движения НАСА считают, что как минимум частично покончили с этой проблемой.
При большой тяге ионы в двигателе врезаются в анод, что ведёт к анодному разбрызгиванию. Чем выше тяга двигателя и скорость ионов, тем быстрее, следовательно, будет эродировать анод.
Стенки из нитрида бора — самое уязвимое место ионного двигателя, однако магнитное поле смогло повысить их предельный ресурс в 500–1 000 раз.
Они попробовали изолировать стенки анода (на базе нитрида бора) от положительных ионов магнитным полем. А линии такого магнитного поля были параллельны поверхности стенок, и по ним заряженные частицы уносились прочь, не трогая стенок. Решение, при всей его очевидности, оказалось довольно эффективным: скорость эрозии упала в 500–1 000 раз. Испытания проводились на ИД, основанном на эффекте Холла и потребляет значительное количество электроэнергии — около 25КВатт на создание силы тяги в 1 ньютон…
Разумеется, это не конец всех проблем. При дальнейшем масштабировании ИД энергия ионов может оказаться такой, что на защитное магнитное поле либо не хватит располагаемой электрической мощности, либо даже при её наличии обеспечить защиту от ионов полностью не получится. И всё же это решительный шаг вперёд — такое замедление эрозии делает принципиально возможной отправку даже весьма тяжёлого корабля к относительно удалённым объектам Солнечной системы.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Applied Physics Letters .
А вы в курсе что в России активно работает над ядерным двигателем для ракет или например о том, что скоро может появится Первый автомобиль с ядерным двигателем
Данный опыт посвящен созданию демонстрационной модели ионного двигателя.
Возьмём два электрода, подадим на них огромное напряжение.
Расстояние между электродами много больше расстояния пробоя. Если один
из электродов имеет острые углы или поверхности, то вокруг них мы будем
видеть сине-фиолетовое свечение.
Такое свечение называется коронным и является одним из видов
электрического разряда. Вызвано оно тем, что с острых краёв разностью
потенциалов срывает электроны, и они, ионизируя воздух, вызывают
свечение.
На фото как раз видно, что с острия иголки разностью потенциалов срывает электроны, что и вызывает такое свечение.
Раз с поверхности металла срывает носители заряда, то создаётся
некоторая реактивная тяга, так нельзя ли ее использовать? Можно. Для
этого был изготовлен и отбалансирован электрод особой формы (см. рис.
1) формы, с 2 остриями, направленными в разные стороны. Этот электрод
был поставлен на острие иглы, на которую было подано напряжение. Как
только мы подаём высокое напряжение (20 КВ 20 КГц, один электрод –
земля, второй – опорная игла), с остриёв электрода срываются электроны,
придавая небольшую реактивную силу, в результате чего электрод начинает
вращаться.
Читайте также: