Вопросы про ионный двигатель

[MARS9]

Много я читал про Ионных двигателей но еще много остается непонятным и хочу узнать здесь вот что:
1.   Почему тяга этих двигателей остается таким малым? Ведь во всех случаях настолько я знаю их тяга измеряется в граммах или в лучшем случае в килограммах, в чем же дело? Если есть струя плазмы и есть магнитное (или электрическое) поле, то что мешает разгонять большое количество вещества (то есть плазмы) до высоких скоростей? Конечно энергия понадобиться много но здесь речь идет о двигателе а не о источнике энергии.......
2.   Как вычислять до каких предельных скоростей можно разгонять Ион? Вот например есть струя плазмы в котором содержится положительно заряженные ионы Водорода, Кислорода и Углерода, до какого максимальной скорости можно их разгонять? Это прямопропорциально напряжение электрического\магнитного поля или как?
3.   Почему Ионные двигатели работают только в вакууме? Нельзя ли ионизировать той ли иной газ в воздухе чтоб космический корабль с таким двигателем смог взлетать с поверхности Земли?
4.   Настолько я знаю Ионные двигатели набирают скорость довольно медленно, если это так-то почему?

[Грехов Михаил]

1. Тяга мала потому как двигатель на аппарате по сути дела потребляет электроэнергию (либо от солнечных батарей, либо от изотопного генератора) с учётом этого если хочешь увеличить тягу, увеличь габариты двигателя, увеличь расход топлива, увеличь площадь батарей, сделай всю систему питания большей мощности... в общем по сути дела увеличь вес аппарата. что в свою очередь неизвестно как ещё скажется на его скорости, так как тяжёлый аппарат съесть всю прибавку мощности двигателя... да ещё и ограничения на массу выводимого груза для конкретной РН... то есть придётся использовать более мощную ракету для вывода и соотв. удорожание проекта... в общем делают столько, сколько нужно.

2. Ионы теоретически можно разгонять до субсветовых скоростей... только сначала энергия для их разгона прямопропорциональна квадрату скорости, а потом ещё добавляются всякие релятивисткие свойства... когда масса резко возрастает при приближении к околосветовым скоростям. используют как правило в качестве топлива тяжёлый газ... Например ксенон. Большая масса газа поместится в бак.

3. Газ для работы ионника необходимо иметь разряжённым... это позволит достичь его ионизации в относительно холодном состоянии... и разряженным газом легче управлять магнитным и электростатическим полем. при атмосферном давлении газ ионизируется с образованием дуги (как электросварка).... на его нагрев, нагрев окружающего воздуха тратится значительная часть энергии... сгорают электроды и мощные токи... в общем получится на двигатель а плазмотрон... никакого разгону не получится.

4. Медленно (значительная масса аппарата и небольшая тяга этому способствует) зато ионник можно включить на несколько месяцев... а обычный двигатель работает несколько минут. при одинаковом запасе топлива в долгосрочной перспективе (года полёта) ионник даст фору обычному ЖРД, кроме этого на любом участке полёта у нас есть топливо... и можно менять орбиту ещё по ходу полёта, уточняя результаты измерений положения КА в пространстве. а ЖРД он так-большой пых и потом уже по сути летит "болванка" почти без топлива... есть конечно коррекция в каких-то предалах... но они не позволят менять орбиту, пересматривать цели полёта и проч.     

[Виктор Травкин]

2. Ионы теоретически можно разгонять до субсветовых скоростей... только сначала энергия для их разгона прямопропорциональна квадрату скорости, а потом ещё добавляются всякие релятивисткие свойства... когда масса резко возрастает при приближении к околосветовым скоростям. используют как правило в качестве топлива тяжёлый газ... Например ксенон. Большая масса газа поместится в бак.

У ионных двигателей нет топлива, а есть рабочее тело. Потенциально в  качестве его источника могут быть использованы ненужные конструкции аппарата, отработавшие свою задачу и ставшие балластом. Ксенон  применялся (ЦНИИМаш) без всякой оглядки на какие-то там "всякие релятивисткие свойства..".

[Грехов Михаил]

Ну это да... точнее рабочее тело.

Потенциально... хм... это вряд ли... скажем если у аппарата есть разгонник алюминиевый (уже типа ненужный), то как его можно напилить в печку, получит пары алюминия, его ионизировать и выбростить с высокой скоростью.... даст ист фантастишь!

Я не говорил про применение Ксенона из-за релятивистких свойств. я говорил из-за его большого веса.

[dims]

В обоих двигателях силы, выталкивающее массу из сопла имеют электростатическую природу. Но в химическом двигателе они действуют прямо между молекулами, на коротком расстоянии. Поля получаются огромными. А в ионном двигателе поле действует глобально на всю камеру, то есть, в молекулярном масштабе оно мало.

С этой точки зрения совершенствование ионных двигателей должно быть направлено на увеличение действующего там электрического поля. Наверное, двигатели должны миниатюризироваться, их количество должно увеличиваться, а поле в каждом элементе -- возрастать.

[juseppe]

1.   Почему тяга этих двигателей остается таким малым?

Потому что разогнать в ионном двигателе можно очень маленькую массу (за единицу времени).

2.   Как вычислять до каких предельных скоростей можно разгонять Ион? ... Это прямопропорциально напряжение электрического\магнитного поля или как?

Энергия иона прямо пропорциональна разности потенциалов между электродами. (Или точнее - разность потенциалов и есть та энергия, которую ион приобретёт, пройдя между электродами). При конструктивном ограничении на разность потенциалов в 1.5 МВ предельная скорость (для иона водорода) около 17 тыс. км/сек.

3.   Почему Ионные двигатели работают только в вакууме? Нельзя ли ионизировать той ли иной газ в воздухе чтоб космический корабль с таким двигателем смог взлетать с поверхности Земли?

В плотном газе трудно создать высокую ионизацию, и для работы в плотной среде надо ускорять огромные массы газа. Никакой мыслимый источник не потянет.

4.   Настолько я знаю Ионные двигатели набирают скорость довольно медленно, если это так-то почему?

Не двигатели, а аппараты с этими двигателями. Ответ - в твоём первом вопросе: почему малая тяга? Тяга - это сила. Малая сила - малое ускорение - большое время достижения необходимой скорости.

2. Ионы теоретически можно разгонять до субсветовых скоростей... только сначала энергия для их разгона прямопропорциональна квадрату скорости, а потом ещё добавляются всякие релятивисткие свойства... когда масса резко возрастает при приближении к околосветовым скоростям. используют как правило в качестве топлива тяжёлый газ... Например ксенон. Большая масса газа поместится в бак.

До субсветовых в ионнике не разгонишь: он однопроходный. Максимум - 17 мегаметров/сек (~1/17 скорости света). А ксенон используют из-за такой фишки: при равной мощности двигателя (равной напряжению на электродах, умноженному на ток пучка, и на ещё какой-то коэффициент, не помню), у легкоатомного газа больше "экономичность" (то есть, УИ: на той же массе рабочего тела достигнешь большей скорости), но у тяжелоатомного больше тяга. Для тех задач, что сейчас ставятся пееред ионниками, тяга существенно важнее. (А ещё ксенон при бОльших температурах, чем водород, кипит - менее сложную криотехнику юзать надо. Да и одноатомность там вроде каким-то боком полезнее...).

[gans2]

У Ксенона ЕМНИП самая низкая энергия ионизации, каковую расходуют "впустую" на подготовку рабочего тела.

[Птыц]

У Ксенона ЕМНИП самая низкая энергия ионизации, каковую расходуют "впустую" на подготовку рабочего тела.

Из благородных газов.

[MARS9]

Грехов Михаил

только сначала энергия для их разгона прямо-пропорциональна квадрату скорости

Точно хочу это узнать значит скорость²=энергия? Какие единицы здесь нужно использовать? Вот хочу разогнать например ион Водорода до скорости 1 000 км\сек, сколько энергии нужно для этого? И что самое главное-как "перевести" эту энергию в напряжение электрического поля? Ведь именно он разгоняет ионов....

Газ для работы ионника необходимо иметь разряженным... это позволит достичь его ионизации в относительно холодном состоянии

Необходимо или желательно? Допустим что ионизация уже есть у нас, тогда возникнет такой вопрос-одинаковое ли напряжение нужно электрическому полю и для разряженной плазмы и для плотной? Например если на электроде 1 000 вольт, в таком случае он с одиноким успехом будет разогнать ионов? Или высокая плотность плазмы будет "мешать" электрическому или магнитному полю?  И еще-к чему холодное состояние?

и разряженным газом легче управлять магнитным и электростатическим полем

Вот это хочу выяснить почему так
dims

В обоих двигателях силы, выталкивающее массу из сопла имеют электростатическую природу

Вы имейте в виду и обычные жидкостные двигатели? А причем в этом случае электростатическая природа? Там же обычная химическая реакция идет....

А в ионном двигателе поле действует глобально на всю камеру, то есть, в молекулярном масштабе оно мало.

А нельзя ли каким-то образом сделать так чтоб электрическое поле и его сила была направлена только внутри камеры где он будет действовать на плазму?
juseppe

Потому что разогнать в ионном двигателе можно очень маленькую массу (за единицу времени).

Это почему? Какая-то принципиальная причина мешает разогнать большие массы? Энергии много понадобиться, это я знаю. Что еще?

Энергия иона прямо пропорциональна разности потенциалов между электродами. (Или точнее - разность потенциалов и есть та энергия, которую ион приобретёт, пройдя между электродами). При конструктивном ограничении на разность потенциалов в 1.5 МВ предельная скорость (для иона водорода) около 17 тыс. км/сек.

Очень хочу узнать как это можно вычислять

для работы в плотной среде надо ускорять огромные массы газа. Никакой мыслимый источник не потянет.

Даже ядерный реактор?

До субсветовых в ионнике не разгонишь: он однопроходный

В смысле? 


И так сказать "общий" вопрос: допустим что хочу вывести на околоземную орбиту полезную нагрузку скажем 10 тонн. Для этого нужно потратить какое-то количество энергии, скажем 1 000 000 джоулев. В наши дни для этого используется жидкостная ракета  и если не ошибаюсь в его двигателях КПД довольно велика (я читал что в случае пары Водорода-Кислорода предельная скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя теоретически составляет 4,63 км/с а вот на "Шаттле" она в практике равна 4,52 км/с, то есть эти двигатели работают на 97 % эффективно, хотя я не знаю настолько только этот показатель можно считать КПД целиком ракеты). А вот если использовать мощный Ионный двигатель (когда он будет создан) то для его питания нужно использовать ядерный реактор, но как же от него получать энергию? Не поставить же внутри ракеты паровые турбины и котлы (так на Земле делают в атомных электростанциях)! Значит нужно "взять" электричество от ядерных реакторов с помощью обычных термоэлементов КПД которых если точно помню вроде 10 %. А вопрос такой-если мы могли бы почти полностью "взять" электричество от ядерных реакторов с помощью обычных термоэлементов (то есть если бы их КПД был вроде 90 %) тогда ведь ТО ЖЕ САМОЕ КОЛИЧЕСТВО энергии (то есть 1 000 000 джоулев о котором выше написал) понадобился бы для доставки той полезной нагрузки (10 тонн) на орбиту, правильно? Значит преимущество жидкостных ракет состоит в том что он гораздо более эффективно может использовать энергию (химическую) топлива чем пока не существующая пара ядерный реактор-мощный Ионный двигатель.............

[AstroNick]

Изменил название темы в соответствии с правилами русского языка... Очень уж старое глаз резало несоответствием падежей 
Продолжайте!

[zverolovlev]

У меня тут неожиданно возник глупый вопрос. А не имеет ли смысл создание комбинированного химическо-ионного двигателя? Т.е. сначала получать рабочее тело экзотермической реакцией двух или более компонентов, а потом ускорять горячие, ионизированные продукты реакции электрическим полем?

[MARS9]

У меня тут неожиданно возник глупый вопрос. А не имеет ли смысл создание комбинированного химическо-ионного двигателя? Т.е. сначала получать рабочее тело экзотермической реакцией двух или более компонентов, а потом ускорять горячие, ионизированные продукты реакции электрическим полем?

У меня был как раз такая идея несколько лет тому назад но его опровергли, хотя не сказали что там было ошибочного  Я подумал вот есть обычная жидкостная ракета, из него ведь идет ПЛАЗМА а не нейтральный газ, нельзя ли его, точнее положительных ионов ускорять? Не нужно заранее ионизировать газ, ионы уже есть, у него будет даже скорость (ну примерно 3 км/сек) а потом дай электрическое поле и разгоняй до скорости скажем 100 км/сек 

[gans2]

 Гении вот-вот изобретут двигатель VASIMIR. 

[zverolovlev]

У меня был как раз такая идея несколько лет тому назад но его опровергли, хотя не сказали что там было ошибочного  Я подумал вот есть обычная жидкостная ракета, из него ведь идет ПЛАЗМА а не нейтральный газ, нельзя ли его, точнее положительных ионов ускорять? Не нужно заранее ионизировать газ, ионы уже есть, у него будет даже скорость (ну примерно 3 км/сек) а потом дай электрическое поле и разгоняй до скорости скажем 100 км/сек 

Я тут подумал. Вероятно у продуктов горения гороздо хуже отношение заряд/масса чем у "чистеньких" ионов того же ксенона. К тому же усложнение и утяжеление конструкции как минимум раза в два.

[Алексей Сидоров]

У меня тут неожиданно возник глупый вопрос. А не имеет ли смысл создание комбинированного химическо-ионного двигателя? Т.е. сначала получать рабочее тело экзотермической реакцией двух или более компонентов, а потом ускорять горячие, ионизированные продукты реакции электрическим полем?

У меня был как раз такая идея несколько лет тому назад но его опровергли, хотя не сказали что там было ошибочного  Я подумал вот есть обычная жидкостная ракета, из него ведь идет ПЛАЗМА а не нейтральный газ, нельзя ли его, точнее положительных ионов ускорять? Не нужно заранее ионизировать газ, ионы уже есть, у него будет даже скорость (ну примерно 3 км/сек) а потом дай электрическое поле и разгоняй до скорости скажем 100 км/сек 

Ионы-то, конечно, будут. Причем в огромном количестве. При этом свободные электроны в магнитном поле будут двигаться в противоположную ионам сторону. Какие последствия это может повлечь?...

[zverolovlev]

Какие? Рекомбинация? А в обычном ионнике как происходит разделение зарядов?

Кстати, в идеале выхлоп ионного двигателя должен быть электрически нейтральным, чтобы отрицательно заряженный аппарат не тормозился положительно заряженным облаком выхлопа.

[Алексей Сидоров]

Какие? Рекомбинация? А в обычном ионнике как происходит разделение зарядов?

Кстати, в идеале выхлоп ионного двигателя должен быть электрически нейтральным, чтобы отрицательно заряженный аппарат не тормозился положительно заряженным облаком выхлопа.

В ионном двигателе предусмотрено устройство, нейтрализующее поток ионов потоком потоком отделенных от атомов электронов.

Причем в ионном двигателе разгон рабочего тела (ионов) производится "холодным" способом. Автор же предлагает некий гибрид термохимического ракетного двигателя с плазменным ракетным двигателем.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Ионный_двигате
http://bse.sci-lib.com/particle032264.html
http://ru.wikipedia.org/wiki/Плазменный_ракетный_двигатель
http://wsyachina.narod.ru/technology/rocket_2.html

[Виктор Травкин]

Потенциально... хм... это вряд ли... скажем если у аппарата есть разгонник алюминиевый (уже типа ненужный), то как его можно напилить в печку, получит пары алюминия, его ионизировать и выбростить с высокой скоростью.... даст ист фантастишь!

Это не очень вряд-ли и вовсе не фантастиш - в том же ЦНИИМаше использовали в качестве рабочего тела цезий и висмут.

[MARS9]

Алексей Сидоров

Ионы-то, конечно, будут. Причем в огромном количестве. При этом свободные электроны в магнитном поле будут двигаться в противоположную ионам сторону. Какие последствия это может повлечь?...

Думаю положительные    если электроны будут ударяться на электроде то ведь тогда рентгеновское излучение будет а оно может еще более ионизировать плазму
 

Причем в ионном двигателе разгон рабочего тела (ионов) производится "холодным" способом. Автор же предлагает некий гибрид термохимического ракетного двигателя с плазменным ракетным двигателем.

Вот именно    я не знаю пытался ли кто-нибудь сделать такое но думаю что у этого двигателя будет хоть то преимущество что тяга будет у него больше чем у ионных двигателей
 
zverolovlev

Кстати, в идеале выхлоп ионного двигателя должен быть электрически нейтральным, чтобы отрицательно заряженный аппарат не тормозился положительно заряженным облаком выхлопа

.
А существенным ли будет это торможение?

[juseppe]

вот есть обычная жидкостная ракета, из него ведь идет ПЛАЗМА а не нейтральный газ

Крайне слабо ионизированная - проценты. Плюс к тому молекулярная, а не атомарная.