Можно ли в домашних условиях собрать ионный двигатель для космического аппарата?
Предлагаю следующую схему:
http://www.ganymed.ca/temp/ion_engine.gif
Жидкое рабочее тело (1) истекает из тонкой иглы (2) в камеру. На иглу подается сильное положительное напряжение, ориентировочно +1000 вольт. С поверхности жидкости срываются ионы. Любая жидкость в вакууме испаряется, и первыми с поверхности будут срываться положительные ионы. Дальше предлагаемая схема повторяет конструкцию классического ионного двигателя: магниты стабилизируют ионный пучок, который разгоняется электрическим полем между сеточками-электродами (3) и истекает через сопло.
Проще говоря, я предлагаю сверхпростой, сверхдешевый, но малоэффективный способ производства ионов на борту космического аппарата, без всяких магнетронов и электронных пушек. Будет ли он работать?
КПД и удельный импульс у такого движка, несомненно, будут значительно ниже, чем у современных ионных двигателей - во сколько именно раз, я посчитаю позже, так как это непринципиально. А принципиально следующее:
1) Двигатель легко собрать в домашних условиях. Для испытаний нужна лишь вакуумная камера.
2) Удельный импульс гораздо больше чем у химического двигателя. (Помимо всего прочего, химический двигатель, требующий сопло из вольфрамового сплава и жидкий кислород, я просто не соберу).
А очень ли нужна на орбите низкотехнологичная самоделка выпиленная на куханной табуретке из другой табуретки и склеенная канцелярским клеем?
Я не исключаю, что в домашних условиях можно придумать что то дельное, пусть даже спроектировать, создать програмное обеспечение, склеить модель, но создать изделие, так не бывает.
ЦитироватьА очень ли нужна на орбите низкотехнологичная самоделка выпиленная на куханной табуретке из другой табуретки и склеенная канцелярским клеем?
http://project.ganymed.ca
Вопрос: Какая жидкость будет использоваться в качестве рабочего тела?
Ответ: Выбор рабочего тела ограничйивается следующими условиями. Жидкость должна быть:
Химически инетрной
Незамерзающей при низкой температуре
Легко доступной
Иметь низкий потенциал ионизации
Преглагаю керосин. Будут встречные предложения?
--
Вопрос: не может ли с иглы сорваться капля? Ведь рабочее тело заряженно положительно и оно притягиется к отрицательно заряженной сетке. Если такое произойдет, капля замкнет электроды.
Ответ: Поверхностное натяжение не даст капле сорваться. Электростатическое притяжение будет на много порядков меньше силы поверхностного натяжения. Это можно доказать математически строго, но я лучше приведу такой простой пример. В вашей домашней розетке, в зависимости от места жительства, 110 либо 220 вольт. Воткните в розетку два тонких проводка, а их обратные концы положите на стол. Капните на стол каплю воды. Один из электродов воткните в каплю, а второй поднесите к капле на расстояние несколько миллиметров. Напряженность электрического поля и, следовательно, сила, действующая на каплю, равна силе, которая будет развиваться в рабочей камере ионного двигателя. Поползет ли капля ко второму электроду? Очевидно, что нет. Пробовать не рекомендую - устроите короткое замыкание.
--
Вопрос: Зачем нужны магниты?
Ответ: Кольцевые постоянные магниты в ионном двигателе нужны для стабилизации ионного пучка. Трек иона в магнитном поле изгибается вдоль линии напряженности поля. Вместо того, чтобы лететь в случайном направлении, ион летит почти строго "на выход".
Сделал страницу проекта, с трехмерными иллюстациями:
http://project.ganymed.ca/ionengine.shtml
А что по вашему будет являтся рабочим телом?
ЦитироватьА что по вашему будет являтся рабочим телом?
Жидкость, которую двигатель превращает в ионы и отбрасывает назад. В данном случае - керосин (гексан).
Посмотрел веб-страничку.
Работать не будет. По множеству причин, вдаваться в которые нет возможности и желания (как и в любом другом деле, в деле получения достаточно мощных пучков частиц есть своя наука и свои технологии). В качестве единственного, но самого правильного аргумента могу предложить задуматься над вопросом о том, почему люди городят сложные по идеологии конструкции подобных двигателей, а эта схема, требующая знаний на уровне школьного курса физики, почему-то не используется.
Для затравки несколько простых вопросов.
1. Попробуйте посчитать ток эмиссии ионов в нарисованной Вами системе. Перед этим рекомендуется подумать, а с какой стати на поверхности иглы вообще будут эти ионы образовываться и о том, что конкретно обозначает термин "объёмный заряд". После получения правильного ответа можно и прикинуть примерную величину тяги.
2. Как известно, магнитный монополь до сих пор не обнаружен. Это автоматически обозначает, что все магнитные силовые линии замкнуты. Знатоки, внимание, вопрос: куда попадут ускоренные ионы, которые движутся строго вдоль замкнутых силовых линий?
3. А там вообще зачем магнитное поле? При практически нулевых токах нагрузки электростатика прекрасно сформирует пучок. Видел ли автор когда-нибудь телевизор в работе (не путать фокусировку луча с развёрткой)?
4. По определению "электрический_заряд" = "электрический_ток"*"время"
Если некое тело испускает поток заряженных частиц, то оно обязано заряжаться. Подробности эффекта гуглить по фамилии Данилов. :evil: Злая шутка, конечно, но просто так не работает. Электрическая цепь ведь должна как-то замыкаться.
5. Вы сильно оптимистичны, если считаете, что предложенная Вами для отработки системы металлическая вакуумная камера со стандартным вакуумом не будет влиять на работу системы. Hint: ключевые слова всё те же, пространственный заряд, нейтрализация пучка, силовые линии электрического и магнитного поля.
6. Не хотел писАть, но ладно. Вы очень оптимистичны, если считаете, что не будет образовываться капель жидкости. В мощных источниках капли являются одной из главных неприятностей. Хотя... в источнике с нулевой мощностью, действительно, не страшно. См. дальше п.7.
7. Интересно, а сможете ли Вы оценить поток вторичных электронов, который полетит с ускоряющих сеток на поверхность иглы, мощность в этом потоке и скорость испарения жидкости, которую нужно таки испарить, чтобы система не расплавилась. Hint: в качестве первой "пальцевой" оценки можно принять, что электронный ток будет в корень из отношения масс больше ионного.
8. После того, как Вы посчитаете из п.7 скорость испарения жидкости, можно будет оценить давление нейтральных паров в объёме, скорость ионизации этих паров электронным ударом и т.п. Это даст некие реальные прикидки на потребную мощность системы питания (с учётом п.7) и на расход рабочего тела, т.е. эффективный удельный импульс.
...
Ну вот, как-то так. Вопросы, которые возникают сразу при взгляде на проект. До его прочтения. :)
Есть вопросики и по другим разделам веб-странички. Например, откуда взялось и что делает слово "плазма" в разделе "Металло-плазменный ракетный двигатель"? И т.п.
Спасибо за столь развернутую рецензию; ответ займет у меня несколько дней, имейте терпение.
1) Что мне это даст? Получится какое-то бессмысленное число. Если очень хочется, возьмите расход ионов в секунду (3.09*10^17), умножьте на элементарный заряд и т.д.
ЦитироватьПосле получения правильного ответа можно и прикинуть примерную величину тяги.
Надо же, какие сложные нужны рассчеты, чтобы получить величину тяги (которая равна 0.3006 грамм)>
2)
Цитироватькуда попадут ускоренные ионы, которые движутся строго вдоль замкнутых силовых линий?
На решетку, в которой ускорятся, и на выход.
3) Вопрос: Зачем нужны магниты?
Ответ: Кольцевые постоянные магниты в ионном двигателе нужны для стабилизации ионного пучка. Трек иона в магнитном поле изгибается вдоль линии напряженности поля. Вместо того, чтобы лететь в случайном направлении, ион летит почти строго "на выход".
П.С. Без магнитов можно обойтись - работать все равно будет, но хуже. Камера будет больше изнашиваться.
4)
ЦитироватьЕсли некое тело испускает поток заряженных частиц, то оно обязано заряжаться.
Это верно. Переделываю чертежи.
ЦитироватьСделал страницу проекта, с трехмерными иллюстациями:
http://project.ganymed.ca/ionengine.shtml
Круто! человек пытается покорять Космос :D
Мне у Вас на сайте фото Луны понравилось слева фоном. Ссылкой на полную картинку не поделитесь?
ЦитироватьМожно ли в домашних условиях собрать ионный двигатель для космического аппарата?
А, если не секрет, почему воплощение в жизнь концепции (которая на вашем сайте) вы решили начать с постройки ионника, а не с постройки самовоспроизводящегося автомата?
Я думаю, есди вы такой автомат сможете создать, то уж люди с ионниками к вам сами придут. Они вам принесут и ионник, и деньги, и что угодно. Ионник не проблема, главное - ЧТО им запускать.
Тут на форуме у одного из участников есть подпись про создание "геотермальной электростанции продвинутого типа из плутония, супер-ЭВМ и бумажной тарелки... У нас есть бумажная тарелка ?" Вот ионник это по-моему в данном случае как бумажная тарелка.
ЦитироватьМне у Вас на сайте фото Луны понравилось слева фоном. Ссылкой на полную картинку не поделитесь?
http://www.thefoto.ru/2006/08/23/fotografii_iz_kosmosa_fotograf_russel_croman.html
Еще одна галерея:
http://www.abalakin.de/gallery.asp
-----------
Сделал кое-какие предварительные рассчеты. Они пока сильно оценочные, так как КПД двигателя принят за 100%.
Количество солнечных панелей
2 Длина каждой панели
20 см
Ширина каждой панели
20 см
Общая площадь
800 см3
Или м3
0.08 Солнечная постоянная
1367 ватт/м2
КПД солнечных батарей
15% Выходная мощность солнечных панелей
16.404 ватт
Напряжение на катоде (внешней сетке)
-200 вольт
Напряжение на аноде (игле)
200 вольт
Перепад напряжений
400 вольт
Потенциал ионизации гексана
10.17 Эв
1 электронвольт равен
1.602177*10^-19 Дж
Кинетическая энергия иона
6.24576*10^-17 Дж
Молекулярная масса рабочего тела
131.29 г/моль
Число Авогадро
6.022045*10^23 Масса молекулы гексана
2.180156*10^-25 кг
Максимальная скорость иона
23936.68385 м/с
Расход ионов в секунду
2.62642*10^17 штук
Расход рабочего тела в секунду
5.72601*10^-08 кг
Расход рабочего тела за сутки
4.947269069 грамм
Тяга двигателя
0.001370616 Н
Тяга двигателя
0.1397162 грамм
СКОРОСТь ИСПАРЕНИЯ
Внутренний диаметр иглы
1 мм
Радиус
0.0005 м
Площадь сечения внутреннего канала иглы
7.85398*10^-07 м2
Плотность гексана
700 кг/м3
Рас ход рабочего тела в секунду
5.72601*10^-08 кг
Рас ход рабочего тела в секунду
8.18001*10^-11 м3
Испарение рабочего тела
0.000104151 м/сек
Испарение рабочего тела
0.104151101 мм/сек
Испарение рабочего тела
8.998655167 м/сутки
Вывод: для рабочего тела следует выбирать вещество, скорость испарения которого в вакууме ниже 0.1 мм/сец.
ЗАПАС ТОПЛИВА И ВРЕМЯ В ПУТИ
Сухая масса корабля
1 кг
Удельный импульс (скорость выхлопа)
23936.68385 м/с
Требуемый импульс
4 км/сек
Требуемый импульс
4000 м/сек
Топливная составляющая веса корабля
15.31% Масса топлива
0.153078304 кг
Расход рабочего тела в секунду
5.72601*10^-08 кг
Время разгона
2673387.125 сек
Время разгона
30.94198062 суток
ФОРМУЛЫ:
Количество солнечных панелей
N1 = 2 Длина каждой панели
N2 = 20 см
Ширина каждой панели
N3 = 20 см
Общая площадь
N4 = N1*N2*N3 см3
Или м3
N5 = N4/(100*100) Солнечная постоянная
N6 = 1367 ватт/м2
КПД солнечных батарей
N7 = 0.15 Выходная мощность солнечных панелей
N8 = N5*N6*N7 ватт
Напряжение на катоде (внешней сетке)
N9 = -200 вольт
Напряжение на аноде (игле)
N10 = 0-N9 вольт
Перепад напряжений
N11 = N10-N9 вольт
Потенциал ионизации гексана
N12 = 10.17 Эв
1 электронвольт равен
N13 = 1.60217653141414E-19 Дж
Кинетическая энергия иона
N14 = N13*(N11-N12) Дж
Молекулярная масса рабочего тела
N15 = 131.29 г/моль
Число Авогадро
N16 = 6.022045E+23 Масса молекулы гексана
N17 = (N15/1000)/N16 кг
Максимальная скорость иона
N18 = SQRT(N14*2/N17) м/с
Расход ионов в секунду
N19 = N8/N14 штук
Расход рабочего тела в секунду
N20 = N19*N17 кг
Расход рабочего тела за сутки
N21 = N20*1000*(24*3600) грамм
Тяга двигателя
N22 = N20*N18 Н
Тяга двигателя
N23 = N22*1000/9.81 грамм
СКОРОСТь ИСПАРЕНИЯ
Внутренний диаметр иглы
N26 = 1 мм
Радиус
N27 = N26/(1000*2) м
Площадь сечения внутреннего канала иглы
N28 = PI()*N27*N27 м2
Плотность гексана
N29 = 700 кг/м3
Рас ход рабочего тела в секунду
N30 = N20 кг
Рас ход рабочего тела в секунду
N31 = N30/N29 м3
Испарение рабочего тела
N32 = N31/N28 м/сек
Испарение рабочего тела
N33 = N32*1000 мм/сек
Испарение рабочего тела
N34 = N32*24*3600 м/сутки
Вывод: для рабочего тела следует выбирать вещество, скорость испарения которого в вакууме ниже 0.1 мм/сец.
ЗАПАС ТОПЛИВА И ВРЕМЯ В ПУТИ
Сухая масса корабля
N38 = 1 кг
Удельный импульс (скорость выхлопа)
N39 = N18 м/с
Требуемый импульс
N40 = 4 км/сек
Требуемый импульс
N41 = N40*1000 м/сек
Топливная составляющая веса корабля
N42 = 1-POWER(1-0.63,N41/N39) Масса топлива
N43 = N38*N42 кг
Расход рабочего тела в секунду
N44 = N30 кг
Время разгона
N45 = N43/N44 сек
Время разгона
N46 = N45/(24*3600) суток
Все украдено до нас! (ц)
Ссылка "Модель плазменного двигателя" (http://mkmagazin.almanacwhf.ru/mk_other/models/7903_plazmenny_dvigatel.htm) Конструкция для кружков детского творчества. :)
ЦитироватьВсе украдено до нас! (ц)
Ссылка "Модель плазменного двигателя" (http://mkmagazin.almanacwhf.ru/mk_other/models/7903_plazmenny_dvigatel.htm) Конструкция для кружков детского творчества. :)
Спасибо за ссылку. Интересно, но я хочу сделать по другому принципу.
Цитировать...ответ займет у меня несколько дней, имейте терпение...
Спасибо, развёрнутый ответ не нужен. Из того текста, который Вами написан как краткий комментарий к моим вопросам, видно, что Вы просто не понимаете, про что на самом деле были эти вопросы. Так что совет прост: до того, как играть с цифрами в Экселе и рисовать конструкции, попробуйте всё-таки почитать учебники. Абсолютно точно начать надо с учебников по электричеству и магнетизму, а закончить книжками по физике плазмы, газовому разряду и ионным источникам.
И, чтобы не было недопонимания, скажу, что некоторые цифры ошибочны не просто на порядки величины, а на десяток-другой порядков. Дальнейший разбор схемы для себя считаю бессмысленным.
"Учиться, учиться и ещё раз учиться!" (C)
Перечитал еще раз ваши вопросы. Все они, за исключением п.4, возникли у вас исключительно от того, что вы не обратили внимание на те или иные законы физики, и моя задача, таким образом, сводится лишь к тому, чтобы обратить ваше внимание в нужную сторону. Никакого изменения конструкции они не требуют.
[q]магнетизму[/q]
Магнетизм в данной конструкции - сильно вторичный эффект. Можете считать, что его нет. Есть куда более проблематичные моменты - и вы их, кстати, не обсуждаете.
ЦитироватьИ, чтобы не было недопонимания, скажу, что некоторые цифры ошибочны не просто на порядки величины, а на десяток-другой порядков.
А конкретные цифры, которые, по вашему мнению, являются ошибочными, вы, конечно же, указать забыли. И я все гадаю - действительно ли у вас склероз, или вы сами понимаете, с какой скороcтью я укажу на то место в тексте, которое вы не поняли.
Не отвечаете на мой вопрос? :) Ну ладно. Хотя интересно было бы услышать про самовозпроизводящиеся автоматы.