Vấn đề chuyển động trong không gian đã được loài người đối mặt kể từ khi bắt đầu có các chuyến bay theo quỹ đạo. Một tên lửa cất cánh từ mặt đất tiêu thụ gần như toàn bộ nhiên liệu của nó, cộng với phí của máy gia tốc và các giai đoạn. Và nếu tên lửa vẫn có thể bị xé toạc khỏi mặt đất bằng cách nạp vào nó một lượng nhiên liệu khổng lồ tại vũ trụ, thì đơn giản là không có nơi nào và không có gì để tiếp nhiên liệu trong không gian mở. Nhưng sau khi đi vào quỹ đạo, bạn cần phải tiếp tục. Và không có nhiên liệu.
Và đây là vấn đề chính của du hành vũ trụ hiện đại. Người ta vẫn có thể ném một tàu vũ trụ vào quỹ đạo với lượng nhiên liệu dự trữ lên tới mặt trăng, ví dụ như kế hoạch xây dựng trên mặt trăng một căn cứ tiếp nhiên liệu cho các tàu vũ trụ "tầm xa" bay đến sao Hỏa. Nhưng điều này là tất cả quá phức tạp.
Và giải pháp cho vấn đề này đã được tạo ra từ rất lâu trước đây, vào năm 1955, khi Aleksey Ivanovich Morozov xuất bản một bài báo "Về gia tốc của plasma bởi từ trường." Trong đó, ông mô tả khái niệm về một động cơ vũ trụ mới về cơ bản.
Thiết bị động cơ Plasma Ion
Nguyên tắc hoạt động động cơ plasma bao gồm thực tế là chất lỏng làm việc không phải là nhiên liệu dễ cháy, như trong động cơ phản lực, mà là một dòng ion được tăng tốc bởi từ trường đến tốc độ điên cuồng.
Nguồn tạo ion là khí, thường là argon hoặc hydro, bình chứa khí ngay từ đầu động cơ, từ đó khí được đưa vào ngăn ion hóa, thu được plasma lạnh, được làm nóng ở ngăn tiếp theo bằng phương pháp đốt nóng cộng hưởng xyclotron ion. Sau khi đốt nóng, plasma năng lượng cao được đưa vào một vòi phun từ tính, nơi nó được tạo thành dòng nhờ từ trường, được gia tốc và ném ra môi trường. Đây là cách đạt được lực kéo.
Kể từ đó, máy đẩy plasma đã đi một chặng đường dài và được chia thành nhiều loại chính, đó là máy đẩy điện nhiệt, máy đẩy tĩnh điện, máy đẩy dòng điện cao hoặc từ động lực và máy đẩy xung.
Đổi lại, động cơ tĩnh điện được chia thành ion và plasma (máy gia tốc hạt trên plasma quasineutral).
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ viết về hiện đại động cơ ion và những phát triển đầy hứa hẹn của họ, vì theo quan điểm của chúng tôi, tương lai của hạm đội không gian nằm ở họ.
Động cơ ion sử dụng xenon hoặc thủy ngân làm nhiên liệu. Bộ đẩy ion đầu tiên được gọi là bộ đẩy ion tĩnh điện dạng lưới.
Nguyên tắc hoạt động của nó như sau:
Máy ion hóa được cho ănxenon, bản thân nó là trung tính, nhưng khi bị bắn phá bằng các electron năng lượng cao sẽ bị ion hóa. Điều này tạo ra một hỗn hợp các ion dương và điện tử âm trong buồng. Để "lọc" các điện tử, một ống có lưới catốt được đưa vào buồng, ống này sẽ thu hút các điện tử về chính nó.
Các ion dương bị hút vào hệ thống chiết, bao gồm 2 hoặc 3 lưới. Một sự khác biệt lớn về điện thế tĩnh điện được duy trì giữa các lưới (+1090 vôn ở bên trong so với - 225 ở bên ngoài). Kết quả của việc va chạm vào các ion giữa các lưới, chúng được tăng tốc và ném vào không gian, làm tăng tốc con tàu, theo định luật thứ ba của Newton.
Động cơ ion của Nga. Tất cả đều thể hiện rõ các ống catốt hướng vào vòi phun
Các điện tử bị mắc kẹt trong ống cực âm bị đẩy ra khỏi động cơ theo một góc nhỏ so với vòi phun và dòng ion. Điều này được thực hiện vì hai lý do:
Thứ nhất, để thân tàu vẫn mang điện tích trung hòa, và thứ hai, để các ion "trung hòa" theo cách này không bị hút trở lại tàu.
Để động cơ ion hoạt động, chỉ cần hai thứ - khí và điện. Với điều đầu tiên, mọi thứ đều ổn, động cơ của phương tiện liên hành tinh Dawn của Mỹ, được ra mắt vào mùa thu năm 2007, sẽ chỉ cần 425 kg xenon cho một chuyến bay trong gần 6 năm. Trong khi đó, 7,5 tấn nhiên liệu được tiêu thụ mỗi năm để điều chỉnh quỹ đạo ISS bằng động cơ tên lửa thông thường.
Có một điều không hay - các máy đẩy ion có lực đẩy rất thấp, khoảng 50-100 milinewtons, hoàn toàn không đủ khi di chuyển trong khí quyển Trái đất. Nhưng trong không gian, nơi thực tế không có lực cản, động cơ ion có thể đạt tốc độ đáng kể trong thời gian tăng tốc kéo dài. Tổng tốc độ tăng trong toàn bộ thời gian của nhiệm vụ Bình minh sẽ là khoảng 10 km / giây.
Kiểm tra ổ đĩa ion không gian sâu
Các cuộc thử nghiệm gần đây do công ty Ad Astra Rocket của Mỹ thực hiện trong một buồng chân không cho thấy Tên lửa Magnetoplasma có thể biến đổi xung lực cụ thể mới VASIMR VX-200 của họ có thể tạo ra lực đẩy 5 Newton.
Vấn đề thứ hai là điện. VX-200 tương tự tiêu thụ điện năng 201 kW. Các tấm pin mặt trời chỉ đơn giản là không đủ cho một động cơ như vậy. Do đó, cần phải phát minh ra những cách mới để thu được năng lượng trong không gian. Có hai cách ở đây - pin được tiếp nhiên liệu, chẳng hạn như triti, được đưa vào quỹ đạo cùng với con tàu, hoặc một lò phản ứng hạt nhân tự động, sẽ cung cấp năng lượng cho con tàu trong suốt chuyến bay.
Trở lại năm 2006, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Đại học Quốc gia Úc đã thử nghiệm thành công một thế hệ máy đẩy ion không gian mới, đạt mức kỷ lục.
Động cơ trong đó các hạt mang điện được gia tốc trong điện trường đã được biết đến từ lâu. Chúng được sử dụng để định hướng, hiệu chỉnh quỹ đạo trên một số vệ tinh và phương tiện liên hành tinh, và trong một số dự án không gian (cả hai đều đã được thực hiện và mới hình thành - đọc và) - thậm chí như một cuộc tuần hành.
Các chuyên gia liên kết với họ về sự phát triển hơn nữa của hệ mặt trời. Và mặc dù tất cả các loại động cơ được gọi là động cơ tên lửa điện đều kém hơn nhiều so với động cơ hóa học về lực đẩy tối đa (gam so với kilôgam và tấn), chúng hoàn toàn vượt trội về hiệu suất (tiêu thụ nhiên liệu trên gam lực đẩy mỗi giây). Và hiệu suất này (xung cụ thể) tỷ lệ thuận với tốc độ của phản lực phóng ra.
Vì vậy, trong một động cơ thử nghiệm có tên "Hai giai đoạn 4 lưới" (Dual-Stage 4-Grid - DS4G), được chế tạo theo hợp đồng ESA ở Úc, tốc độ này đã đạt kỷ lục 210 km / giây.
Ví dụ, tốc độ này cao hơn 60 lần so với tốc độ xả của động cơ hóa học tốt, và cao hơn 4-10 lần so với "động cơ ion" trước đây.
Như tên của nó, tốc độ này đạt được nhờ quá trình gia tốc ion hai giai đoạn sử dụng bốn cách tử liên tiếp (thay vì một giai đoạn truyền thống và ba cách tử), cũng như bởi một điện áp cao 30 kilovolt. Ngoài ra, sự phân kỳ của chùm phản ứng đầu ra chỉ là 3 độ, so với khoảng 15 độ đối với các hệ thống trước đó.
Và đây là thông tin của những ngày cuối cùng.
Động cơ ion (ID) hoạt động đơn giản: khí từ bình chứa (xenon, argon, v.v.) được ion hóa và tăng tốc bởi trường tĩnh điện. Vì khối lượng của ion nhỏ, và nó có thể nhận một điện tích đáng kể, nên các ion bay ra khỏi động cơ với tốc độ lên đến 210 km / s. Động cơ hóa học có thể đạt được ... không, không phải như vậy, nhưng chỉ ít hơn hai mươi lần so với tốc độ thải của các sản phẩm cháy chỉ trong những trường hợp đặc biệt. Theo đó, mức tiêu thụ khí cực kỳ thấp so với mức tiêu thụ nhiên liệu hóa học.
Đó là lý do tại sao các tàu thăm dò "tầm xa" như Hayabusa, Deep Space One và Dawn, đã hoạt động hoàn toàn hoặc một phần tại ID. Và nếu bạn không chỉ bay đến những thiên thể xa xôi bằng quán tính mà còn chủ động di chuyển đến gần chúng, thì bạn không thể thực hiện được nếu không có những động cơ như vậy.
Năm 2014, động cơ ion đang kỷ niệm 50 năm hoạt động trong không gian. Tất cả thời gian này, vấn đề xói mòn không thể được giải quyết ngay cả trong ước tính đầu tiên. (Đây và dưới ảo ảnh. NASA, Wikimedia Commons.)
Giống như tất cả những thứ tốt, ID thích được cung cấp năng lượng: một lực đẩy newton đòi hỏi năng lượng lên tới 25 kW. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta được giao nhiệm vụ phóng tàu vũ trụ 100 tấn đến Sao Diêm Vương (bạn sẽ tha thứ cho chúng ta vì chúng ta mơ mộng!). Lý tưởng nhất, ngay cả đối với sao Mộc, chúng ta cần 1.000 Newton lực đẩy và 10 tháng, và đối với Hải Vương tinh trong cùng một lực đẩy - một năm rưỡi. Nói chung, rốt cuộc đừng nói về sao Diêm Vương, nếu không thì buồn lắm ...
Chà, để có được 1.000 Newton vẫn còn suy đoán này, chúng ta cần 25 megawatt. Về nguyên tắc, không có gì là không thể về mặt kỹ thuật - một con tàu 100 tấn có thể chấp nhận một lò phản ứng hạt nhân. Thật ngẫu nhiên, NASA và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hiện đang làm việc trong dự án Năng lượng bề mặt phân hạch. Đúng vậy, chúng ta đang nói về các căn cứ trên Mặt Trăng và Sao Hỏa, không phải tàu. Nhưng khối lượng của lò phản ứng không cao lắm - chỉ 5 tấn, với kích thước 3 x 3 x 7 m ...
Chà, được rồi, bạn đã mơ và vậy là đủ, bạn nói, và ngay lập tức nhớ đến trò ngu ngốc được cho là do Leo Tolstoy phát minh trong Chiến tranh Crimean. Rốt cuộc, một dòng ion lớn như vậy đi qua động cơ (và đây là một trở ngại chính) sẽ gây ra sự xói mòn của nó, và nhanh hơn nhiều so với trong mười tháng hoặc một năm rưỡi. Hơn nữa, đây không phải là vấn đề lựa chọn vật liệu cấu trúc - may mắn thay, cả titan và kim cương đều sẽ bị phá hủy trong điều kiện như vậy - mà là một phần không thể thiếu trong cấu trúc của động cơ ion.
Dựa trên tài liệu từ Gizmag. và http://lab-37.com
Bạn có biết những gì đang hoạt động ở Nga làm việc trên động cơ tên lửa hạt nhânhoặc ví dụ về
những gì có thể xuất hiện sớm
Động cơ ion
Động cơ ion có thể được sử dụng cho một loạt các nhiệm vụ - từ điều chỉnh vị trí của các vệ tinh trong quỹ đạo Trái đất, đến việc tăng tốc các tàu vũ trụ khổng lồ hướng ra ngoài hệ mặt trời của chúng ta vào sâu trong Dải Ngân hà. Nhưng chính xác thì động cơ ion là gì và nó được sử dụng chính xác như thế nào trong không gian? Động cơ tên lửa thông thường đốt cháy khí thải ra từ vòi phun ở áp suất cao, tạo ra lực đẩy phản lực mạnh đẩy con tàu về phía trước. Trong động cơ ion, khí trơ (xenon, argon) không bị đốt cháy mà bị ion hóa, và các ion do nó phát ra được tăng tốc đến tốc độ cao trong điện trường mạnh. Do đó, các ion được bắn ra từ động cơ với tốc độ lên đến 150.000 km một giờ.
Ứng dụng của động cơ ion
Nhưng, thật không may, lực đẩy của ion cực kỳ nhỏ và có thể so sánh với áp suất tác dụng bởi một tờ giấy A4 trên lòng bàn tay của một người. Nhưng trong môi trường không gian không trọng lượng, nơi không có ma sát, các bộ đẩy ion có thể cực kỳ hiệu quả, vì tác dụng của lực đẩy của chúng tăng dần theo thời gian. Máy đẩy ion đầu tiên trên thế giới được sử dụng thành công trên trạm liên hành tinh tự động DAWN, được NASA phóng lên vũ trụ vào ngày 27 tháng 9 năm 2007 để khám phá tiểu hành tinh West và hành tinh lùn Ceres. Hiện tại, tàu vũ trụ DAWN đang nằm trong vành đai tiểu hành tinh giữa và sao Mộc.
Anh ta đã mất bốn ngày để tăng tốc từ 0 đến 100 km một giờ bằng động cơ ion. Vâng, điều này không đặc biệt ấn tượng, nhưng bộ đẩy ion rất kinh tế và có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ. Trong trường hợp này, tốc độ của tàu vũ trụ được tăng tốc bởi động cơ ion không ngừng tăng lên và có thể lên đến hàng nghìn km / giây sau một thời gian nhất định.
Tại sao phải sử dụng bộ đẩy ion?
Loại chuyển động này mang lại cho tàu vũ trụ khả năng cơ động trong quỹ đạo Trái đất. Với sự giúp đỡ của họ, bạn có thể dễ dàng thay đổi vị trí của các vệ tinh, chẳng hạn như để điều chỉnh độ cao của quỹ đạo của chúng hoặc để tránh một vệ tinh lớn. Ngoài ra, động cơ ion rẻ hơn và tiết kiệm hơn nhiều so với động cơ tên lửa. Chúng kéo dài đáng kể tuổi thọ của vệ tinh và giảm chi phí khởi động và vận hành. Hiện tại, NASA đang nghiên cứu phát triển hai động cơ ion thế hệ mới cùng một lúc: Động cơ Xenon tiến hóa tiếp theo và động cơ ion vòng... Những động cơ mới này sẽ giảm chi phí của các nhiệm vụ không gian và kéo dài thời gian chạy của chúng, cũng như cung cấp nhiều năng lượng hơn.
Động cơ vũ trụ của tương lai
Xây dựng động cơ ion
Chúng ta tiếp tục nói về các loại động cơ.
Vấn đề chuyển động trong không gian đã được loài người đối mặt kể từ khi bắt đầu có các chuyến bay theo quỹ đạo. Một tên lửa cất cánh từ mặt đất tiêu thụ gần như toàn bộ nhiên liệu của nó, cộng với phí của máy gia tốc và các giai đoạn. Và nếu tên lửa vẫn có thể bị xé toạc khỏi mặt đất bằng cách đổ đầy vào nó một lượng nhiên liệu khổng lồ tại vũ trụ, thì trong không gian mở đơn giản là không có nơi nào để tiếp nhiên liệu và không có gì cả. Nhưng sau khi đi vào quỹ đạo, bạn cần phải tiếp tục. Và không có nhiên liệu.
Và đây là vấn đề chính của du hành vũ trụ hiện đại. Người ta vẫn có thể ném một tàu vũ trụ vào quỹ đạo với lượng nhiên liệu dự trữ lên tới mặt trăng, ví dụ như kế hoạch đang được thực hiện để xây dựng trên mặt trăng một căn cứ tiếp nhiên liệu cho các tàu vũ trụ "tầm xa" bay đến sao Hỏa. Nhưng điều này là tất cả quá phức tạp.
Và giải pháp cho vấn đề này đã được tạo ra từ rất lâu trước đây, vào năm 1955, khi Aleksey Ivanovich Morozov xuất bản một bài báo "Về gia tốc của plasma bởi từ trường." Trong đó, ông mô tả khái niệm về một động cơ vũ trụ mới về cơ bản.
Thiết bị động cơ Plasma Ion
Nguyên tắc hoạt động động cơ plasma bao gồm thực tế là chất lỏng hoạt động không phải là nhiên liệu dễ cháy, như trong, mà là một dòng ion được tăng tốc bởi từ trường đến tốc độ điên cuồng.
Nguồn tạo ion là khí, thường là argon hoặc hydro, bình chứa khí ngay từ đầu động cơ, từ đó khí được đưa vào ngăn ion hóa, thu được plasma lạnh, được làm nóng ở ngăn tiếp theo bằng phương pháp đốt nóng cộng hưởng xyclotron ion. Sau khi đốt nóng, plasma năng lượng cao được đưa vào một vòi phun từ tính, nơi nó được tạo thành dòng nhờ từ trường, được gia tốc và ném ra môi trường. Đây là cách đạt được lực kéo.
Kể từ đó, máy đẩy plasma đã đi một chặng đường dài và được chia thành nhiều loại chính, đó là máy đẩy điện nhiệt, máy đẩy tĩnh điện, máy đẩy dòng điện cao hoặc từ động lực và máy đẩy xung.
Đổi lại, động cơ tĩnh điện được chia thành ion và plasma (máy gia tốc hạt trên plasma quasineutral).
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ viết về hiện đại động cơ ion và những phát triển đầy hứa hẹn của họ, vì theo quan điểm của chúng tôi, tương lai của hạm đội không gian nằm ở họ.
Động cơ ion sử dụng xenon hoặc thủy ngân làm nhiên liệu. Bộ đẩy ion đầu tiên được gọi là bộ đẩy ion tĩnh điện dạng lưới.
Nguyên tắc hoạt động của nó như sau:
Máy ion hóa được cho ăn xenon, bản thân nó là trung tính, nhưng khi bị bắn phá bằng các electron năng lượng cao, sẽ ion hóa. Điều này tạo ra một hỗn hợp các ion dương và điện tử âm trong buồng. Để "lọc" các điện tử, một ống có các lưới catốt được đưa ra ngoài buồng, ống này sẽ thu hút các điện tử về chính nó.
Các ion dương bị hút vào hệ thống chiết, bao gồm 2 hoặc 3 lưới. Một sự khác biệt lớn về điện thế tĩnh điện được duy trì giữa các lưới (+1090 vôn ở bên trong so với - 225 ở bên ngoài). Kết quả của việc va chạm vào các ion giữa các lưới, chúng được tăng tốc và ném vào không gian, làm tăng tốc con tàu, theo định luật thứ ba của Newton.
Động cơ ion của Nga. Tất cả đều thể hiện rõ các ống catốt hướng vào vòi phun
Các điện tử bị mắc kẹt trong ống cực âm bị đẩy ra khỏi động cơ theo một góc nhỏ so với vòi phun và dòng ion. Điều này được thực hiện vì hai lý do:
Thứ nhất, để thân tàu vẫn mang điện tích trung hòa, và thứ hai, để các ion "trung hòa" theo cách này không bị hút trở lại tàu.
Để động cơ ion hoạt động, chỉ cần hai thứ - khí và điện. Với điều đầu tiên, mọi thứ đều ổn, động cơ của phương tiện liên hành tinh Dawn của Mỹ, được ra mắt vào mùa thu năm 2007, sẽ chỉ cần 425 kg xenon cho một chuyến bay trong gần 6 năm. Trong khi đó, 7,5 tấn nhiên liệu được tiêu thụ mỗi năm để điều chỉnh quỹ đạo ISS bằng động cơ tên lửa thông thường.
Có một điều không hay - các máy đẩy ion có lực đẩy rất thấp, khoảng 50-100 milinewtons, hoàn toàn không đủ khi di chuyển trong khí quyển Trái đất. Nhưng trong không gian, nơi thực tế không có lực cản, động cơ ion có thể đạt tốc độ đáng kể trong thời gian tăng tốc kéo dài. Tổng tốc độ tăng trong toàn bộ thời gian của nhiệm vụ Bình minh sẽ là khoảng 10 km / giây.
Kiểm tra ổ đĩa ion không gian sâu
Các thử nghiệm gần đây được thực hiện bởi công ty Ad Astra Rocket của Mỹ, được thực hiện trong buồng chân không, đã cho thấy rằng Tên lửa Magnetoplasma Magnetoplasma có thể biến đổi cụ thể mới của họ VASIMR VX-200 có thể tạo ra lực đẩy ít nhất là 5 Newton.
Vấn đề thứ hai là điện. VX-200 tương tự tiêu thụ điện năng 201 kW. Các tấm pin mặt trời chỉ đơn giản là không đủ cho một động cơ như vậy. Do đó, cần phải phát minh ra những cách mới để thu được năng lượng trong không gian. Có hai cách ở đây - pin được tiếp nhiên liệu, chẳng hạn như triti, được đưa vào quỹ đạo cùng với con tàu, hoặc một lò phản ứng hạt nhân tự động, sẽ cung cấp năng lượng cho con tàu trong suốt chuyến bay.
Trong trường hợp thứ hai, trong điều kiện không gian và nhiệt độ thấp, dự án tàu có lò phản ứng nhiệt hạch trên tàu có vẻ thú vị hơn, nhưng cho đến nay NASA chỉ đang phát triển một lò phản ứng hạt nhân.
Những nghiên cứu này đang được thực hiện như một phần của dự án Prometheus. NASA có kế hoạch phóng một tàu thăm dò hạt nhân vào hệ mặt trời, được trang bị động cơ ion mạnh mẽ được cung cấp bởi một lò phản ứng hạt nhân trên tàu.
Cuối cùng là thử nghiệm video động cơ ion VX-200.
Không có gì bí mật khi tất cả các động cơ phản lực hoạt động theo định luật bảo toàn động lượng. Nó theo sau đó lực đẩy phản lực là tích số của tốc độ dòng chảy khối lượng và tốc độ của chất lỏng làm việc thoát ra khỏi vòi phun.
Tốc độ này thường được gọi là xung lực riêng của động cơ phản lực. Ví dụ, chúng ta hãy tìm lực đẩy phản lực khi bắn từ súng trường tấn công Kalashnikov, thành phần chính của độ giật. Cho khối lượng của viên đạn là 0,016 kg, vận tốc gốc của đạn 700 m / s, và tốc độ bắn 10 ảnh / giây. Khi đó độ giật là F \u003d 700 ∙ 0,016 ∙ 10 \u003d 112 N (hoặc 11 kgf)... Độ giật lớn, nhưng ở đây tốc độ bắn kỹ thuật là 600 rds / phút. Trong thực tế, chụp được thực hiện theo từng loạt hoặc đơn lẻ và là ≈50 rds / phút.
Bắn từ AK
Hãy quay trở lại với động cơ phản lực thực, trong đó thay vì đạn, dòng khí thoát ra ở tốc độ siêu âm thường được sử dụng. Động cơ phản lực hóa học là loại phổ biến nhất, nhưng không phải là loại duy nhất.
Trong bài viết này, với lời nói đầu dài, tôi muốn nói về động cơ phản lực ion (sau đây gọi là IRD). IRD sử dụng các hạt mang điện - ion - làm môi trường làm việc. Các ion có khối lượng, và nếu chúng bị phân tán bởi điện trường thì có thể tạo ra lực đẩy phản lực. Đây là tất cả trên lý thuyết, nhưng bây giờ chi tiết hơn. IRD có một lượng khí nhất định, được ion hóa (tức là các nguyên tử khí mang điện trung hòa bị phá vỡ thành các điện tử âm và ion dương) bằng cách sử dụng phóng điện. Sau đó, các ion được tăng tốc bởi một điện trường bằng cách sử dụng một hệ thống lưới đặc biệt, và cùng một hệ thống lưới chặn chuyển động của các electron. Sau khi các ion dương thoát ra khỏi vòi phun, chúng được trung hòa với các điện tử âm (kết quả là sự kết hợp lại xảy ra và khí bắt đầu phát sáng) để các ion không bị hút trở lại động cơ, và do đó không làm giảm lực đẩy của nó.
Tại sao xenon?
Thông thường, khí xenon được sử dụng làm chất lỏng hoạt động trong IRD, vì nó có năng lượng ion hóa thấp nhất trong số các khí trơ.
Xung động cụ thể của động cơ phản lực ion đạt 50 km / s, gấp 150 lần tốc độ âm thanh! Than ôi, lực đẩy của các động cơ như vậy là khoảng 0,2 N. Tại sao lại như vậy? Rốt cuộc, xung lực cụ thể là rất lớn. Vấn đề là khối lượng của các ion rất nhỏ và tốc độ dòng chảy khối lượng thấp. Tại sao lại cần đến những động cơ như vậy nếu chúng không thể di chuyển được? Ở Trái đất, chúng có thể không làm được, nhưng trong không gian, nơi không có lực lượng phản kháng, chúng khá hiệu quả. Có một thứ như tổng xung - tích của lực đẩy theo thời gian hoặc tích của xung cụ thể đối với khối lượng nhiên liệu, khá lớn đối với IRD.
Hãy giải quyết vấn đề sau đây. Để động cơ tên lửa đẩy chất lỏng có xung lực cụ thể là 5 km / s, và IRD của chúng tôi sẽ có xung lực đó ở tốc độ 50 km / s. Và giả sử khối lượng của chất lỏng làm việc (trong động cơ tên lửa bằng khối lượng của nhiên liệu) cho cả hai động cơ sẽ là 50 kg. Hãy lấy khối lượng của tàu vũ trụ bằng 100 kg.
Chúng ta hãy tìm tốc độ cuối cùng của thiết bị bằng công thức Tsiolkovsky (tức là khi nó hết khối lượng làm việc).
Và điều gì sẽ xảy ra nếu động cơ phản lực ion và phản lực hóa học có cùng khối lượng nhiên liệu, thì IRD sẽ có thể tăng tốc tàu vũ trụ lên tốc độ cao hơn RD hóa học. Đúng, tàu vũ trụ trên IRD sẽ tăng tốc đến tốc độ cuối cùng lâu hơn so với trên LPRE. Nhưng khi du hành đến các hành tinh xa xôi, tốc độ cuối cùng (gia tốc) cao sẽ bù đắp cho nhược điểm này.
Đề án chuyến bay đến sao Hỏa trên IRD
IRD được sử dụng trong thời đại của chúng ta. Ví dụ, thiết bị Deep Space 1 đã tiếp cận chữ nổi của tiểu hành tinh và sao chổi Borelli, truyền về Trái đất một lượng đáng kể dữ liệu khoa học và hình ảnh có giá trị.
Không gian sâu 1
Ngoài ra, ăng ten không gian LISA, hiện đang ở giai đoạn thiết kế, sẽ sử dụng IRD để điều chỉnh quỹ đạo.
Ăng ten không gian của giao thoa kế laser
Và cuối cùng, hãy xác định lực đẩy IRD, biết khối lượng của ion M \u003d 6,5 ∙ 10 ^ -26 kgđiện áp tăng tốc U \u003d 50 kV, dòng điện trung hòa I \u003d 0,5 A, phí cơ bản e \u003d 1,6 ∙ 10 ^ -16 C.
Điện áp là công việc chuyển giao điện tích, tức là ở lối ra từ vòi phun, ion sẽ có động năng bằng tích hiệu điện thế và điện tích của ion. Từ động năng, ta biểu thị vận tốc (xung lực riêng). Hãy tìm tốc độ dòng điện từ định nghĩa dòng điện, dòng điện là một điện tích đi qua trong thời gian. Nó chỉ ra rằng tốc độ dòng chảy khối lượng là tích của khối lượng của ion và dòng điện chia cho điện tích của ion. Bằng cách nhân xung lực riêng và dòng khối lượng, chúng ta thu được một lực đẩy bằng 0,1 N.
Tóm lại, tôi muốn nói rằng có những động cơ phản lực plasma, có thiết bị tương tự, nhưng có tốc độ dòng chảy của chất lỏng làm việc cao hơn nhiều. Ai biết được, có thể ngày mai trên những động cơ như vậy loài người sẽ bay đến Sao Hỏa và Mặt Trăng.
Ngày 9 tháng 3 năm 2013
Vấn đề chuyển động trong không gian đã được loài người đối mặt kể từ khi bắt đầu có các chuyến bay theo quỹ đạo. Một tên lửa cất cánh từ mặt đất tiêu thụ gần như toàn bộ nhiên liệu của nó, cộng với phí của máy gia tốc và các giai đoạn. Và nếu tên lửa vẫn có thể bị xé toạc khỏi mặt đất bằng cách đổ đầy vào nó một lượng nhiên liệu khổng lồ tại vũ trụ, thì trong không gian mở đơn giản là không có nơi nào để tiếp nhiên liệu và không có gì cả. Nhưng sau khi đi vào quỹ đạo, bạn cần phải tiếp tục. Và không có nhiên liệu.
Và đây là vấn đề chính của du hành vũ trụ hiện đại. Người ta vẫn có thể ném một tàu vũ trụ vào quỹ đạo với lượng nhiên liệu dự trữ lên tới mặt trăng, ví dụ như kế hoạch đang được thực hiện để xây dựng trên mặt trăng một căn cứ tiếp nhiên liệu cho các tàu vũ trụ "tầm xa" bay đến sao Hỏa. Nhưng điều này là tất cả quá phức tạp.
Và giải pháp cho vấn đề này đã được tạo ra từ rất lâu trước đây, vào năm 1955, khi Aleksey Ivanovich Morozov xuất bản một bài báo "Về gia tốc của plasma bởi từ trường." Trong đó, ông mô tả khái niệm về một động cơ vũ trụ mới về cơ bản.
Thiết bị động cơ Plasma Ion
Nguyên tắc hoạt động động cơ plasma bao gồm thực tế là chất lỏng làm việc không phải là nhiên liệu dễ cháy, như trong động cơ phản lực, mà là một dòng ion được tăng tốc bởi từ trường đến tốc độ điên cuồng.
Nguồn tạo ion là khí, thường là argon hoặc hydro, bình chứa khí ngay từ đầu động cơ, từ đó khí được đưa vào ngăn ion hóa, thu được plasma lạnh, được làm nóng ở ngăn tiếp theo bằng phương pháp đốt nóng cộng hưởng xyclotron ion. Sau khi đốt nóng, plasma năng lượng cao được đưa vào một vòi phun từ tính, nơi nó được tạo thành dòng nhờ từ trường, được gia tốc và ném ra môi trường. Đây là cách đạt được lực kéo.
Kể từ đó, máy đẩy plasma đã đi một chặng đường dài và được chia thành nhiều loại chính, đó là máy đẩy điện nhiệt, máy đẩy tĩnh điện, máy đẩy dòng điện cao hoặc từ động lực và máy đẩy xung.
Đổi lại, động cơ tĩnh điện được chia thành ion và plasma (máy gia tốc hạt trên plasma quasineutral).
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ viết về hiện đại động cơ ion và những phát triển đầy hứa hẹn của họ, vì theo quan điểm của chúng tôi, tương lai của hạm đội không gian nằm ở họ.
Động cơ ion sử dụng xenon hoặc thủy ngân làm nhiên liệu. Bộ đẩy ion đầu tiên được gọi là bộ đẩy ion tĩnh điện dạng lưới.
Nguyên tắc hoạt động của nó như sau:
Máy ion hóa được cho ăn xenon, bản thân nó là trung tính, nhưng khi bị bắn phá bằng các electron năng lượng cao, sẽ ion hóa. Điều này tạo ra một hỗn hợp các ion dương và điện tử âm trong buồng. Để "lọc" các điện tử, một ống có các lưới catốt được đưa ra ngoài buồng, ống này sẽ thu hút các điện tử về chính nó.
Các ion dương bị hút vào hệ thống chiết, bao gồm 2 hoặc 3 lưới. Một sự khác biệt lớn về điện thế tĩnh điện được duy trì giữa các lưới (+1090 vôn ở bên trong so với - 225 ở bên ngoài). Kết quả của việc va chạm vào các ion giữa các lưới, chúng được tăng tốc và ném vào không gian, làm tăng tốc con tàu, theo định luật thứ ba của Newton.
Động cơ ion của Nga. Tất cả đều thể hiện rõ các ống catốt hướng vào vòi phun
Các điện tử bị mắc kẹt trong ống cực âm bị đẩy ra khỏi động cơ theo một góc nhỏ so với vòi phun và dòng ion. Điều này được thực hiện vì hai lý do:
Thứ nhất, để thân tàu vẫn mang điện tích trung hòa, và thứ hai, để các ion "trung hòa" theo cách này không bị hút trở lại tàu.
Để động cơ ion hoạt động, chỉ cần hai thứ - khí và điện. Với điều đầu tiên, mọi thứ đều ổn, động cơ của phương tiện liên hành tinh Dawn của Mỹ, được ra mắt vào mùa thu năm 2007, sẽ chỉ cần 425 kg xenon cho một chuyến bay trong gần 6 năm. Trong khi đó, 7,5 tấn nhiên liệu được tiêu thụ mỗi năm để điều chỉnh quỹ đạo ISS bằng động cơ tên lửa thông thường.
Có một điều không hay - động cơ ion có lực đẩy rất thấp, khoảng 50-100 milinewtons, hoàn toàn không đủ khi di chuyển trong khí quyển Trái đất. Nhưng trong không gian, nơi thực tế không có lực cản, động cơ ion có thể đạt tốc độ đáng kể trong quá trình tăng tốc kéo dài. Tổng tốc độ tăng trong toàn bộ thời gian của nhiệm vụ Bình minh sẽ là khoảng 10 km / giây.
Kiểm tra ổ đĩa ion không gian sâu
Các cuộc thử nghiệm gần đây do công ty Ad Astra Rocket của Mỹ thực hiện trong một buồng chân không cho thấy Tên lửa Magnetoplasma có thể biến đổi xung lực cụ thể mới VASIMR VX-200 của họ có thể tạo ra lực đẩy 5 Newton.
Vấn đề thứ hai là điện. VX-200 tương tự tiêu thụ điện năng 201 kW. Các tấm pin mặt trời chỉ đơn giản là không đủ cho một động cơ như vậy. Do đó, cần phải phát minh ra những cách mới để thu được năng lượng trong không gian. Có hai cách ở đây - pin được tiếp nhiên liệu, chẳng hạn như triti, được đưa vào quỹ đạo cùng với con tàu, hoặc một lò phản ứng hạt nhân tự động, sẽ cung cấp năng lượng cho con tàu trong suốt chuyến bay.
Trở lại năm 2006, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Đại học Quốc gia Úc đã thử nghiệm thành công một thế hệ máy đẩy ion không gian mới, đạt mức kỷ lục.
Động cơ trong đó các hạt mang điện được gia tốc trong điện trường đã được biết đến từ lâu. Chúng được sử dụng để định hướng, hiệu chỉnh quỹ đạo trên một số vệ tinh và phương tiện liên hành tinh, và trong một số dự án không gian (cả hai đều đã được thực hiện và mới hình thành - đọc và) - thậm chí như một cuộc tuần hành.
Các chuyên gia liên kết với họ về sự phát triển hơn nữa của hệ mặt trời. Và mặc dù tất cả các loại động cơ được gọi là động cơ tên lửa điện đều kém hơn nhiều so với động cơ hóa học về lực đẩy tối đa (gam so với kilôgam và tấn), chúng hoàn toàn vượt trội về hiệu suất (tiêu thụ nhiên liệu trên gam lực đẩy mỗi giây). Và hiệu suất này (xung cụ thể) tỷ lệ thuận với tốc độ của phản lực phóng ra.
Vì vậy, trong một động cơ nguyên mẫu, được đặt tên là "Lưới điện hai giai đoạn 4" (Dual-Stage 4-Grid - DS4G), được chế tạo theo hợp đồng ESA tại Úc, tốc độ này đạt kỷ lục 210 km / giây.
Ví dụ, tốc độ này cao hơn 60 lần so với tốc độ xả của động cơ hóa học tốt, và cao hơn 4-10 lần so với "động cơ ion" trước đây.
Như tên của nó, tốc độ này đạt được nhờ quá trình gia tốc ion hai giai đoạn sử dụng bốn cách tử liên tiếp (thay vì một giai đoạn truyền thống và ba cách tử), cũng như bởi một điện áp cao 30 kilovolt. Ngoài ra, sự phân kỳ của chùm phản ứng đầu ra chỉ là 3 độ, so với khoảng 15 độ đối với các hệ thống trước đó.
Và đây là thông tin của những ngày cuối cùng.
Động cơ ion (ID) hoạt động đơn giản: khí từ bình chứa (xenon, argon, v.v.) được ion hóa và tăng tốc bởi trường tĩnh điện. Vì khối lượng của ion nhỏ, và nó có thể nhận một điện tích đáng kể, nên các ion bay ra khỏi động cơ với tốc độ lên đến 210 km / s. Động cơ hóa học có thể đạt được ... không, không phải như vậy, nhưng chỉ ít hơn hai mươi lần so với tốc độ thải của các sản phẩm cháy chỉ trong những trường hợp đặc biệt. Theo đó, mức tiêu thụ khí cực kỳ thấp so với mức tiêu thụ nhiên liệu hóa học.
Đó là lý do tại sao các tàu thăm dò "tầm xa" như Hayabusa, Deep Space One và Dawn, đã hoạt động hoàn toàn hoặc một phần tại ID. Và nếu bạn không chỉ bay đến những thiên thể xa xôi bằng quán tính mà còn chủ động di chuyển đến gần chúng, thì bạn không thể thực hiện được nếu không có những động cơ như vậy.
Năm 2014, động cơ ion đang kỷ niệm 50 năm hoạt động trong không gian. Tất cả thời gian này, vấn đề xói mòn không thể được giải quyết ngay cả trong ước tính đầu tiên. (Đây và dưới ảo ảnh. NASA, Wikimedia Commons.)
Giống như tất cả những thứ tốt, ID thích được cung cấp năng lượng: một lực đẩy newton đòi hỏi năng lượng lên đến 25 kW. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta được giao nhiệm vụ phóng tàu vũ trụ 100 tấn đến Sao Diêm Vương (bạn sẽ tha thứ cho chúng ta vì chúng ta mơ mộng!) Lý tưởng nhất, ngay cả đối với sao Mộc, chúng ta cần 1.000 Newton lực đẩy và 10 tháng, và tính đến sao Hải Vương trong cùng một lực đẩy - một năm rưỡi. Nói chung, rốt cuộc đừng nói về sao Diêm Vương, nếu không thì buồn lắm ...
Chà, để có được 1.000 Newton vẫn còn suy đoán này, chúng ta cần 25 megawatt. Về nguyên tắc, không có gì là không thể về mặt kỹ thuật - một con tàu 100 tấn có thể tiếp nhận lò phản ứng hạt nhân. Ngẫu nhiên, NASA và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hiện đang làm việc trong dự án Năng lượng bề mặt phân hạch. Đúng vậy, chúng ta đang nói về các căn cứ trên Mặt Trăng và Sao Hỏa, không phải tàu. Nhưng khối lượng của lò phản ứng không cao lắm - chỉ 5 tấn, với kích thước 3 x 3 x 7 m ...
Chà, được rồi, bạn đã mơ và vậy là đủ, bạn nói, và ngay lập tức nhớ đến trò ngu ngốc được cho là do Leo Tolstoy phát minh ra trong Chiến tranh Crimean. Rốt cuộc, một luồng ion lớn như vậy đi qua động cơ (và đây là một trở ngại chính) sẽ gây ra sự xói mòn của nó, và nhanh hơn nhiều so với trong mười tháng hoặc một năm rưỡi. Hơn nữa, đây không phải là vấn đề lựa chọn vật liệu cấu trúc - may mắn thay, cả titan và kim cương đều sẽ bị phá hủy trong điều kiện như vậy - mà là một phần không thể thiếu trong cấu trúc của động cơ ion.
Dựa trên tài liệu từ Gizmag. và http://lab-37.com
Bạn có biết về những gì đang hoạt động ở Nga không, hoặc ví dụ: nó có thể sớm xuất hiện Bài báo gốc trên trang web InfoGlaz.rf Liên kết đến bài báo mà bản sao này được tạo từ là
