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[技术] 离子发动机

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发表于 2018-9-29 21:07:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

离子发动机

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自轨道飞行开始以来,从地面起飞的火箭消耗几乎所有的燃料,加上加速器和阶段的费用。而如果火箭仍然可以离开地面,在发射场每天需要大量的燃料,但进入轨道后,你需要继续前进。但没有燃料。
这是现代宇航学的主要问题。掷入轨道船与燃料容量到月球仍然是可能的,这种理论下,基于月球的计划建立加油基地“远距离”飞船飞往火星,例如。但这太复杂了。

离子发动机

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这个问题的解决方案早在1955年创建,当时阿列克谢伊万诺维奇莫罗佐夫发表了一篇文章“关于磁场加速等离子体”。在其中,他描述了一个全新的太空引擎的概念。
等离子发动机的作用原理:工作体是不可燃的燃料,如在喷气发动机中,但是离子通量由磁场加速到非常高的速度。
离子源是一种气体,它通常是氩气或氢气,气体被送入电离室,获得冷等离子体,这是在通过离子回旋共振加热手段的下一个隔室加热。在加热之后,将高能等离子体供给到磁性喷嘴中,在那里借助于磁场将其形成为焊剂,加速并释放到环境中。因此,实现了牵引力。
从那时起,等离子发动机已经走过了漫长的道路并分为几种基本类型,即电热马达,静电马达,大电流或磁动力马达和脉冲马达。
反过来,静电发动机分为离子和等离子体(准中性等离子体上的粒子加速器)。
在本文中,我们将介绍现代离子发动机及其有希望的发展,因为在我们看来,太空船队的未来已经落后于它们。
离子发动机使用氙或汞作为燃料。第一个离子马达称为网状静电离子马达。
其运作原则如下:

离子发动机

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氙气被送入离子发生器,离子发生器本身是中性的,但是当用高能电子轰击时,它会离子化。因此,在腔室中形成正离子和负电子的混合物。为了“过滤掉”电子,带有阴极网格的管被吸入腔室,腔室吸引电子。
正离子被吸引到由2或3个网格组成的提取系统。在栅格之间,保持静电电位的巨大差异(内部+1090伏,外部-225伏)。根据牛顿第三定律,由于离子在网格之间进入,它们被加速并射入太空,加速了船只。

 楼主| 发表于 2018-9-29 21:15:12 | 显示全部楼层
俄罗斯离子发动机完全可以清楚地看到指向喷嘴的阴极管

离子发动机

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捕获在阴极管中的电子以与喷嘴和离子流成小角度的角度从发动机喷出。这样做有两个原因:
首先,使船体保持中性电荷,其次使“中和”的离子不被吸引回船上。
离子发动机只能处理两件事 - 燃气和电力。首先,一切都很好,美国行星车Dawn的发动机于2007年秋季启动,仅需要425公斤的氙气飞行近6年。相比之下,为了使用传统的火箭发动机校正国际空间站的轨道,每年消耗7.5吨燃料。
有一点是不好的 - 离子发动机的牵引力非常小,大约有5千万到1亿千万,这在地球大气层移动时绝对不足。但是在外太空几乎没有阻力的情况下,离子发动机可以在长时间超频的情况下达到显着的速度。整个持续时间的总速度增量约为每秒10公里。

离子发动机

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最近由美国公司Ad Astra Rocket在真空室中进行的测试表明,他们的新型Magnetoplasma发动机具有可变比冲“(可变比冲击磁质火箭)VASIMR VX-200,可以提供5牛顿的牵引力。
第二个问题是电力。同样的VX-200消耗201千瓦的能量。这种发动机没有足够的太阳能。因此,有必要发明在空间获得能量的新方法。这里有两种方法 - 可再填充的电池,如氚电池,与船一起进入轨道,或自动核反应堆,它将在整个飞行过程中为船舶提供动力。
早在2006年,欧洲航天局(European Space Agency)和澳大利亚国立大学(Australian National University)成功地对新一代空间离子发动机进行了测试,达到了创纪录的水平。
其中带电粒子在电场中加速的发动机长期以来是已知的。它们用于某些卫星和行星际航天器的定向,轨道校正,以及许多空间项目(已经实施并且只是构思 - 在这里,这里和这里阅读) - 即使是行进。
专家们将太阳系的进一步发展与它们联系起来。尽管所谓的电动推进发动机的所有品种在最大负荷(克数与千克和吨)方面都远不如化学品,但它们在效率上基本上超过它们(每克每秒推力的燃料消耗)。而这种盈利能力(特定冲动)直接取决于喷射射流的速度。
因此,在澳大利亚ESA合同下建造的称为“两级四格”(双级四格 - DS4G)的实验引擎中,这一速度达到了每秒210公里的记录。
例如,这比优质化学发动机的排气速率高60倍,比以前的“离子电”高4-10倍。
从开发名称中可以清楚地看出,这种速度是通过使用四个连续网格(而不是传统的单级和三个网格)以及高电压--30千伏加速离子的两个阶段来实现的。此外,输出反应光束的发散仅为3度,而前者系统的发散角度仅为15度。

离子发动机

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离子发动机(ID)工作简单:来自箱内的气体(氙气,氩气等)被静电场电离和加速。由于离子的质量很小,并且电荷可能变得相当大,因此离子以高达210 km / s的速度从发动机中排出。化学发动机可以实现......,但只有在特殊情况下才比燃烧产品的排气速率低20倍。因此,与化学燃料的消耗相比,气体消耗非常小。

 楼主| 发表于 2018-9-29 21:20:56 | 显示全部楼层
   2014年,离子发动机在太空中庆祝半个世纪的纪念日。一直以来,即使在第一次近似中也无法解决侵蚀问题。 (在这里和下面,NASA,Wikimedia Commons。)

离子发动机

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对于一个牛顿推力,你需要高达25千瓦的能量。想象一下,我们被指示向冥王星发射一艘100吨重的太空船(你会原谅我们的梦想!)。理想情况下,即使对于木星,我们需要1000牛顿的推力和10个月,而海王星需要相同的推力 - 一年半。一般来说,我们不要谈论冥王星,但不知怎的,它有点难过......
那么,为了暂时获得这些投机的1000牛顿,我们需要25兆瓦。原则上,技术上没有什么是不可能的 - 一艘100吨重的船可以使用原子反应堆。顺便说一句,目前NASA和美国能源部正在研究Fission Surface Power项目。的确,我们谈论的是月球和火星的基础,而不是船只。但反应堆的质量不是很高 - 只有5吨,尺寸为3×3×7米......
因此,美国宇航局喷气推进实验室的研究人员认为,他们至少部分地消除了这个问题。
由于推力很大,发动机中的离子切入阳极,导致阳极喷涂。发动机推力和离子速度越高,因此侵蚀阳极的速度越快。
离子发动机的腐蚀减少了数百倍

离子发动机

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    氮化硼壁 - 离子发动机最易受攻击的地方,但磁场可使其限制资源增加500-1000倍。
他们试图通过磁场将阳极壁(基于氮化硼)与正离子隔离开来。并且这种磁场的线平行于壁的表面,并且在它们上带走带电粒子而不接触壁。显而易见,解决方案结果非常有效:侵蚀率下降了500-1,000倍。测试是根据霍尔效应进行的,并消耗大量电力 - 约25千瓦时,产生1牛顿的推力......
当然,这不是所有问题的终结。随着ID的进一步缩放,离子能量可能变得使得保护磁场或者没有足够的可用电力,或者即使它可用,也不可能完全防止离子。然而,这是向前迈出的决定性一步 - 这种侵蚀的减缓使得原则上甚至可以将非常重的船舶送到相对偏远的太阳系物体。

发表于 2019-2-19 16:19:22 | 显示全部楼层
太空上可用, 升空还是要火箭
电驱各种好奈何空气电导如此小, 纯电驱从发射到入轨多美. 最终会实现的
曾以为 EmDrive 堪当大任, 现如今理论还是飘渺
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