Ионный двигатель своими руками

[privalov]

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).

[Гусев_А]

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.

[privalov]

А 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".

[privalov]

Сделал страницу проекта, с трехмерными иллюстациями:

http://project.ganymed.ca/ionengine.shtml

[korund]

А что по вашему будет являтся рабочим телом?

[privalov]

А что по вашему будет являтся рабочим телом?

Жидкость, которую двигатель превращает в ионы и отбрасывает назад. В данном случае - керосин (гексан).

[Chilik]

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.

[privalov]

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.

После 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)

куда 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)

Если некое тело испускает поток заряженных частиц, то оно обязано заряжаться.

Это верно. Переделываю чертежи.

[В А Д И М]

Сделал страницу проекта, с трехмерными иллюстациями:
http://project.ganymed.ca/ionengine.shtml

Круто! человек пытается покорять Космос  
Мне у Вас на сайте фото Луны понравилось слева фоном. Ссылкой на полную картинку не поделитесь?

[Николай Дзись-Войнаровский]

Можно 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.

[privalov]

Мне 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

[falanger]

Все украдено до нас! (ц)
Ссылка "Модель плазменного двигателя" Конструкция для кружков детского творчества.  

[privalov]

Все украдено до нас! (ц)
Ссылка "Модель плазменного двигателя" Конструкция для кружков детского творчества.  

Спасибо за ссылку. Интересно, но я хочу сделать по другому принципу.

[Chilik]

...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)

[privalov]

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.

И, 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.

[Николай Дзись-Войнаровский]

Не отвечаете на мой вопрос?    Ну ладно. Хотя интересно было бы услышать про самовозпроизводящиеся автоматы.