Ионный двигатель для взлета с луны

[Зануда]

Ну, представим себе такую ненаучно-фантазменную дичь, как паровую катапульту, разгоняющую корабль до орбитальной скорости. Но зачем тогда вообще двигатели, в том числе ионные? 

Скорректировать орбиту так, чтобы не прилуниться обратно. С орбитальной скоростью.

Может получиться довольно выгодно, особенно если катапульта многоразовая и расходует не рабочее тело, а лишь энергию.

[zlodeiy]

Да, запустить с луны можно всякими способами, но есть ли в этом смысл? Ведь на луну надо еще и доставить. И строить там невыгодно. Легче строить на орбите в невесомости. Есть смысл если только вести там добычу полезных ископаемых и там же их перерабатывать в необходимые материалы.

[вячеслав27]

http://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html -
"Ионный двигатель:
Состояние: применяется на практике
Потребляемая мощность: 1 ...7 кВт
Скорость истечения: 20...50 км/с
Тяга:20...250мН
КПД: 60...80%
Применение: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольшой автоматической космической станции."
Вот вам тяга 250 мН. Сомневаюсь,  что такого хватит для взлета даже с астероида.

[zlodeiy]

да повысить в разы скорость истечения можно и без колосальных мощностей с использованием электростатических либо электромагнитных линз

[LonelyWanderer]

Ребята, ну это тема совсем не имеющая смысла. Зачем эти трудности с долгим стартом через ионные двигатели? Пока корабль разгонится до 1.68 км/с он успеет опоясать всю Луну..  Это что же за стартовая площадка такая должна быть? Да и зачем нужен расход, пусть и не такой большой как в ракетах, лёгких элементов, которые на Луне большой дефицит?
Электромагнитная катапульта от солнечных батарей и аккумуляторов . Две штуки, одна короткая для грузов, допускающих значительные перегрузки. И вторая - длинная, для пилотируемых кораблей. Такая, с перегрузками, допустим в 5g, будет ускорять до 1-й лунной космической скорости всего за 34 секунды, и длина катапульты составит всего 850 метров, что далеко не астроинженерное сооружение и такую катапульту по силам сделать уже сейчас, только нужны деньги и желание. А далее можно уже ионными двигателями раскручивать по спирали орбиту корабля и отправлять куда надо.
Но всё же лучше сразу делать катапульту для придания скорости, необходимой для полёта на Землю без использования дополнительных двигателей и рабочего тела, это около 3 км/с и при 5g перегрузках - 1500 метров длины катапульты. Уже нужно напрячься, но всё ещё реально нынешними технологиями.
Так что старт ионными двигателями - полный бред, этого никогда не будет.

Эту технологию и на Марсе отлично применять можно, там нужна катапульта около 2000 метров длины для вывода на орбиту Марса при перегрузках 5g, а далее уже можно ионными двигателями раскручиваться. А построить - на вершине Олимпа, где атмосферы уже почти нет.

[вячеслав27]

"Характеристики электроракетных двигателей определяются не только скоростью истечения заряженных частиц, но и плотностью тяги - значением силы тяги, приходящимся на единицу площади отверстия, через которое эти частицы истекают. Возможности ионных и аналогичных электростатических двигателей ограничиваются объемным зарядом, который налагает очень низкий предел на достижимую плотность тяги. Дело в том, что по мере прохождения положительных ионов через электростатические сетки двигателя между ними неизбежно накапливается положительный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля, ускоряющего ионы.
Из-за этого тяга двигателя зонда Deep Space 1 эквивалентна примерно весу листа бумаги, что очень далеко от тяги двигателей в научно-фантастических фильмах. Для разгона автомобиля с помощью такой силы от нуля до 100 км/ч (при отсутствии сопротивления движению: автомобиль, стоящий на земле, такая сила даже не сдвинет с места. - Прим. пер.) потребовалось бы больше двух суток. В космическом вакууме, который не оказывает сопротивления, сообщить аппарату большую скорость способна даже очень малая сила, если она действует достаточно долго."
Из того-же источника. А теперь прикиньте как будет тормозить аппарат притяжение Луны (а скорее всего притяжение Луны окажется сильнее тяги такого слабого двигателя и ничего у вас не полетит)...

[zlodeiy]

С ионником у ученых както совсем плохо дела обстоят, иногда аж на смех пробивает, собрали генератор ионов и говорят что это двигатель 

[zlodeiy]

http://nuph.spbstu.ru/minobrminatom/2/accs/chapter4/4.3.html

[Dem]

Да не годится ионный двигатель для взлёта с Луны, как его ни проектируй - он даже собственный вес не поднимет.

Если как следует зарядить аппарат - он превратится в большой ион и улетит с Луны за счёт электростатического отталкивания.

[LonelyWanderer]

Да не годится ионный двигатель для взлёта с Луны, как его ни проектируй - он даже собственный вес не поднимет.

Если как следует зарядить аппарат - он превратится в большой ион и улетит с Луны за счёт электростатического отталкивания.

Ну так да, делов то. Зарядить Луну как один большой протон положительным зарядом, и корабль как маленький электрон - отрицательным зарядом. И запустить.

[zlodeiy]

Нашел вариант увеличения тяги с небольшими затратами на мощность. Но возникает проблема намагничивания. Хотя и эта проблема легко решается точными расчетами времени

[Птыц]

Тяга (F), мощность (W) и скорость истечения топлива (u) связаны простой формулой, следующей из законов Ньютона:
\[ Fu=2\eta W \]
где η – КПД цепочки преобразования энергии на борту в импульс реактивной струи. Удельная (на единицу массы) мощность должна быть на менее:
\[ \frac{W}{M} > \frac{au}{2 \eta } \]
При разумных предположениях a должно быть не менее 2 м/с² и u – не менее 10⁴ м/с. КПД будет не лучше 30% (40% для установки преобразования чего-то в электричество и 70% – двигателя). Откуда:
\[ \frac{W}{M} > 33 кВт/кг \]

И тогда по выбору энергетической установки:

• Солнечная энергия – более 24,4 м²/кг или для 2 тонного аппарата, из которых 1 тонна – полезный груз, почти 5 Га солнечных батарей, которые должны не развалиться в лунном поле тяжести и нацеливаться на Солнце (толщина при плотности, равной плотности воды, – около 40 микрон).
• Газовую турбину с генератором, наверное, можно довести до 3-6 кВт/кг (самолётные турбины – 2 кВт/кг).
• Ядерный реактор с турбиной, или термоэмиссионным, или термоэлектрическим преобразователем требует еще и холодильника. Но и без холодильника удельная мощность вряд ли будет выше 1 кВт/кг (Топаз на 1 тонну собственной массы имел тепловую мощность 150 кВт, что при 40% КПД составит 60 кВт или 60 Вт/кг).

Таким образом, без внешнего питания, с Луны на «ионном» двигателе не взлететь.

[AlexOrex]

Такая, с перегрузками, допустим в 5g, будет ускорять до 1-й лунной космической скорости всего за 34 секунды, и длина катапульты составит всего 850 метров, ...
... это около 3 км/с и при 5g перегрузках - 1500 метров длины катапульты.

Время в квадрат возвести забыли
S=a*t²/2= 50*34²/2 = 28,9 км.
50*60²/2 = 90 км.
А с помощью ионного двигателя взлететь с Луны, наверное, можно - на парусе над мощным двигателем, установленным на поверхности и направленным вверх

[zlodeiy]

Месяц назад случайно в энете нашел конструкцию линейного магнитного! ускорителя частиц, разработка примерно тех же готов что и циклотрон. От конструкции отказались в пользу циклотрона, но она рабочая. К сожалению уже месяц не могу снова его найти, но конструкция четко запомнилась: напоминает ряд кольцевых трансформаторов.

И вот мучает мысль воссоздать данный ускоритель и применить его в ионнике, вот только неизвестно что больше влияет на ускоряемую им частицу ток или напряжение. А в домашних условиях не то что проверить а даже построить уже большая проблема.

[вячеслав27]

Таким образом, без внешнего питания, с Луны на «ионном» двигателе не взлететь.

Ага длинный кабель к розетке подключить.

Вообще как я понял ионник дает большую скорость за большое время за счет ускорение в вакууме. А тут нужна одномоментная большая скорость для преодоления тяготения.

[Pribavkin]

Да не годится ионный двигатель для взлёта с Луны, как его ни проектируй - он даже собственный вес не поднимет.

Если как следует зарядить аппарат - он превратится в большой ион и улетит с Луны за счёт электростатического отталкивания.

Ну так да, делов то. Зарядить Луну как один большой протон положительным зарядом, и корабль как маленький электрон - отрицательным зарядом. И запустить.

Если Луну зарядить положительно, а корабль отрицательно - отродясь не улетит!
Но, поскольку реальная Луна заряжена отрицательно, то отрицательно заряженный шар может уйти в космос. Корабль может и летать над Луной, если менять его потенциал. А солнечный свет и солнечный ветер может даже подгонять шар. Но маневрировать и тем более летать навстречу солнечным потокам придется ионным двигателем.
А вот если двигатель плохо работает или в баке ионов мало осталось, то придется долго добираться до нужной точки - 28 дней. Уж слишком медленно Луна вертится!     

[вячеслав27]

Может обсудить возможность старта с Луны на паровой тяге? Мощнее будет...

[Gleb1964]

Михаил, у этого двигателя КПД 72 %. Про 10 раз речи не идет. Что бы совершить полезное действие нужно затратить энергию. В том числе и для разгона вещества в данном типе двигателей.

Чеж это за КПД то такой?  200кВт - это около 270 л.с.  У меня на дельталёте двигатель РМЗ-640 "Буран" мощностью  35 л. с. Это даёт тягу на винте в 105...125 кг (зависит от температуры и плотности воздуха и состояния двигателя). При том что КПД двухтактного двигателя-низкий да и сам он дерьмовый. А тут 270 л.с. и 500 грамм?  Может вы спутали и речь идёт не о киловаттах, а о ваттах?  То есть мощность в 1000 раз меньше?

... Тот же самый автомобиль скажем с двигателем 270 кобыл при 100% КПД преобразования мощности в тягу наверное дёрнет этак полтонны.  Отличия то на 3 порядка!

интересный вопрос об эффективности разгона ионным двигателем. Параметры обсуждаемого двигателя:

Power: 200 kW
Thrust: 5.7 N
Exhaust speed: 50 km/s
Thruster efficiency: 72 %

действительно, что здесь понимается под высокой эффективностью, если двигатель в 200КВт (270 л.с.) создает тягу всего 500 грамм?

попробуем посчитать. Будем использовать всего две формулы, одна нам дает скорость истечения, а вторая - секундный расход массы рабочего вещества:





Попробуем посчитать параметры двигателя при той же фиксированной мощности для создания тяги в 1000 раз больше, т.е. примерно в полтонны. Скорость истечения получиться в 1000 раз меньше - 50.5 м/с, а секундный расход рабочего вещества возрастет в 1000 раз до 112 кг/с. Зато тяга полтонны!
Если бы мы увеличили секундный расход массы еще больше, условно до массы Земли, то это было бы равносильно тому, как автомобиль ездит по земному шару, отталкиваясь колесами от дороги - Земля в одну сторону, автомобиль - в другую. Только из за большой массы Земной шарик не поддается, вся мощность двигателя автомобиля преобразуется почти только в движение автомобиля, изменение скорости Земли - фактически ноль.
В случае же с ионным двигателем, когда масса разгоняемого рабочего вещества мала, почти вся энергия идет в разгон рабочего вещества и уноситься с ним, а доля на приращение кинетической энергии ракеты ничтожна. Ракета примерно получает секундное приращение скорости во столько раз меньше скорости истечения, во сколько раз масса ракеты превосходит массу расходуемого рабочего тела.
В любом случае, разгон с опорой на массивное тело требует на много порядков меньше затрат энергии! Большое тело не поддается и дает лучше преобразовать энергию в разгон собственно ракеты, а не рабочего вещества (опоры).
Большое преимущество ионников - большая скорость истечения, что позволяет разогнаться с малым расходом рабочего тела, расходуя при этом намного больше энергии, которая уноситься рабочим телом и не достается ракете.

[alex_semenov]

Достоинство ионника что скорость истечения 20-70 км/с (за который борятся конструкторы, ибо конструкторы ионных двигателей всегда боролись за СНИЖЕНИЕ скорости истечения а не за повышение) это по-сути ЖЕЛАТЕЛЬНАЯ дельта-вэ любого планетолета, то есть суммарное приращение скорости ракеты в процессе ее полета по Солнечной системе (разгон, корректировка курса, торможение, возможно возврат с разгоном корретировкой, торможением). То есть скорость истечения u примерно равна конечной скорости ракеты v. А это означает и массовую и энергетическую оптимальность.
Это об ионном двегателе как двиЖИтеле.
Как о двиГАтеле. Он тоже очень эффективен. Это по-сути электрическая машина. Поэтому преобразование тока в энергию частиц тут происходит с очень высоким КПД.
Главные потери энергии - ионизация рабочего тела перед разгоном. Поэтому, кстати, если вы увеличиваете скорость истечения с 50 км/с до 500 и выше, то доля потерь на ионизацию падает и КПД ионного двигателя вообще может быть 90-95%.

Но ионный двигатель питается электрическим током. Поэтому есть еще одно КПД. Энергетической установки. Есть только два типа энергоустановок пригодных для ионного двигателя. Солнечные батареи и ядерный реактор (не важно какой, может и термоядерный). И в последнем случае, так как энергия получается в виде тепла встает ребром вопрос о КПД тепловой машины. И тут то всплывает коллизия между формулой Карно и законом Стефана-Больцмана. Но это уже совсем другая истоитя…

[Gleb1964]

...ибо конструкторы ионных двигателей всегда боролись за СНИЖЕНИЕ скорости истечения а не за повышение...

со всем прочим не спорю, согласен, но вот Вашу фразу по поводу борьбы конструкторов за СНИЖЕНИЕ скорости истечения я не понял.
В условиях ограничения массы-энергии-времени, ограничения массы диктуют борьбу за повышение скорости истечения, что может идти в разрез с энергетическими возможностями за данный отрезок времени. Увеличение скорости истечения требует роста энергетических затрат в квадрате от скорости истечения. Если энергетические возможности лимитированы, значит надо поступаться тягой, т.е. снижать секундный расход рабочего тела - а это удлинение времени полета, что тоже может быть ограничением.
Но какие проблемы снизить скорость истечения ионника? Я полагаю, просто снизить электрический потенциал между электродами, борьбы в этом не нахожу.