Вопросы про ионный двигатель

[juseppe]

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?

Очень. Аппарат диаметром 2 метра, использующий ионник с напряжением 1 МВ и током 100мА, зарядится до потенциала -1 МВ за пару миллисекунд, после чего разгон прекратится.

[Belll]

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.......

Проблема в том, что нет технологии, позволяющей передавать большую энергию большому количеству вещества. Ну и нет источников такой большой энергии, но это уже в принципе решаемая проблема.

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?

Пропорционально квадрату энергии. Т.е. чтоб разогнать быстрее в 2 раза надо затратить энергии в 4 раза больше.

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?

Для старта с земли важнее не скорость отбрасываемых газов, а тяга (их количество*скорость), а иначе ракета не преодолеет силы тяжести и останется стоять на старте. Пока (и еще очень долго) ионные двигатели не могут создавать тягу, больше чем вес ракеты.

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

Опять же, потому что их сила тяги слабая. Потому что пока невозможно передавать большую энергию большой массе рабочего тела, чтоб разгонять его до "ионных" скоростей.

[anovikov]

Тяга маленькая как раз из-за того что энергии нужно много. Ограничения не в двигателе (имеющиеся источники электроэнергии, которые можно применять на КА, весят в разы или даже десятки раз больше на единицу мощности, чем ионные двигатели на единицу потребляемой ими мощности). Ядерный реактор при мощностях от может быть, 5-10 мегаватт, имел бы сравнимые с ионниками характеристики по удельной мощности и система пришла бы в баланс - но это дало бы рост ускорения аппарата всего в несколько раз и не решило бы радикально проблему. Занимает межорбитальная траектория год или 3 месяца - не суть важно, людей все равно послать нельзя, автоматику все равно можно. Наверное поэтому никто с ядерными реакторами в космосе и не заморачивается.

[MARS9]

juseppe

Крайне слабо ионизированная - проценты

Я читал что если добавить Калий к плазме то степень ионизации возрастает, возможно это поможет?
 

Плюс к тому молекулярная, а не атомарная

Это не понял, если ион есть то он уже не атом и не молекула...
 

Очень. Аппарат диаметром 2 метра, использующий ионник с напряжением 1 МВ и током 100мА, зарядится до потенциала -1 МВ за пару миллисекунд, после чего разгон прекратится.

Значит нейтрализация плазмы это АБСОЛЮТНО НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЯ для Ионного двигателя?
 
Belll

Проблема в том, что нет технологии, позволяющей передавать большую энергию большому количеству вещества. Ну и нет источников такой большой энергии, но это уже в принципе решаемая проблема.

Значит создать источник большой энергии менее сложная проблема чем создать технологию позволяющей передавать большую энергию большому количеству вещества? Почему эта последняя так сложно? 
 

Пропорционально квадрату энергии. Т.е. чтоб разогнать быстрее в 2 раза надо затратить энергии в 4 раза больше

Это понятно но я конкретно хочу узнать вот ест например ион Углерода и хочу его разогнать до скорость 100 км/сек, сколько напряжение нужно на электроде?

Для старта с земли важнее не скорость отбрасываемых газов, а тяга (их количество*скорость), а иначе ракета не преодолеет силы тяжести и останется стоять на старте. Пока (и еще очень долго) ионные двигатели не могут создавать тягу, больше чем вес ракеты.

Это понятно но все-таки ионные двигатели (или тот же VASIMR) в воздухе могут работать? Если НЕ могут значить с поверхности Марса они не могут стартовать при Марсианской пилотируемой экспедиции...
 

Опять же, потому что их сила тяги слабая. Потому что пока невозможно передавать большую энергию большой массе рабочего тела, чтоб разгонять его до "ионных" скоростей.

Хорошо вопрос поставлю так-что В ПРИНЦИПЕ этому мешает? Или это чисто техническая проблема?
 
anovikov

Тяга маленькая как раз из-за того что энергии нужно много. Ограничения не в двигателе (имеющиеся источники электроэнергии, которые можно применять на КА, весят в разы или даже десятки раз больше на единицу мощности, чем ионные двигатели на единицу потребляемой ими мощности). Ядерный реактор при мощностях от может быть, 5-10 мегаватт, имел бы сравнимые с ионниками характеристики по удельной мощности и система пришла бы в баланс - но это дало бы рост ускорения аппарата всего в несколько раз и не решило бы радикально проблему

Понятно уже между прочим то что вы сказали наверно касается и VASIMR двигателя тоже? Ведь для его питания нужен как раз все тот же ядерный реактор......

Занимает межорбитальная траектория год или 3 месяца - не суть важно, людей все равно послать нельзя, автоматику все равно можно.

Ну наверно людей тоже можно послать но это дорого и опасно, да и для науки это ни к чему

[Belll]

Марс, проблема в том, что Ваш базовый уровень знаний похоже недостаточен, чтобы понять ответы на Ваши вопросы. Т.е. Вы задаете вопросы слишком сложные, чтоб понять ответы на них. Возможно, Вы еще ученик средних классов, а вопросы задаете по курсу физики для старших классов и даже вуза. И вообще, я не знаю как и что у вас там в Болгарии и Сербии преподают в школе...

[juseppe]

Я читал что если добавить Калий к плазме то степень ионизации возрастает, возможно это поможет?

Нет - Потому что ионизированным будет только калий. "Родных" же ионов мало.
 

Плюс к тому молекулярная, а не атомарная

Это не понял, если ион есть то он уже не атом и не молекула...

Если есть молекулы (а они есть: продукты сгорания по определению, по природе химического двигателя суть молекулы) - то средняя энергия корпускулы в газе недостаточна для разваливания молекулы на части, а уж тем более - для ионизации атомов; и реально количество ионов пропорционально доле частиц с надпороговой энергией, см. распределение Максвелла. То есть, наличие молекул означает очень малую степень ионизации (и не важно, что выбитый электрон может присоединиться к молекуле - речь идёт о количестве). А атомарных продуктов реакции у химических двигателей нет.
 

Очень. Аппарат диаметром 2 метра, использующий ионник с напряжением 1 МВ и током 100мА, зарядится до потенциала -1 МВ за пару миллисекунд, после чего разгон прекратится.

Значит нейтрализация плазмы это АБСОЛЮТНО НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЯ для Ионного двигателя?

Да, абсолютно необходимое. Но очень простое - излучатель электронов ("нейтрализатор") несложен и потребляет немного энергии. Характеристики ионного двигателя определяются не им.

Проблема в том, что нет технологии, позволяющей передавать большую энергию большому количеству вещества. Ну и нет источников такой большой энергии, но это уже в принципе решаемая проблема.

Значит создать источник большой энергии менее сложная проблема чем создать технологию позволяющей передавать большую энергию большому количеству вещества? Почему эта последняя так сложно? 

Я, пожалуй, отвечу.
1) Нельзя создавать бесконечно большую разность потенциалов между электродами - иначе произойдёт пробой.
2) Нельзя создавать большую концентрацию ионов в разгонном объёме двигателя - их суммарный заряд исказит и уменьшит электрическое поле, уменьшив эффективность работы.
То есть, и энергия ионов на выходе ограничена, и количество ионов на единицу объёма (а отсюда - и площади сечения) двигателя ограничено. Т.о., максимальная тяка на единицу площади сечения ограничена, маскимальная энергия, передаваемая рабочему телу в данном объёме двигателя, - тоже.

Пропорционально квадрату энергии. Т.е. чтоб разогнать быстрее в 2 раза надо затратить энергии в 4 раза больше

Это понятно но я конкретно хочу узнать вот ест например ион Углерода и хочу его разогнать до скорость 100 км/сек, сколько напряжение нужно на электроде?

Берёте массу атома углерода (равную относительной атомной масссе, умноженной на атомную единицу массы), и равную ~10^-26 кг, и определяете, какая кинетическая энергия будет у него при скорости 100 км/сек (10^-16 Дж). Выразив её в электрон-вольтах (10^-16 Дж = ~625 В). То есть, до 100 км/сек углерод можно разогнать напряжением 625 вольт. До 1000 - 62500 вольт До 10000 - теоретически надо напряжение 6250000 вольт, но 6 МВ - это существенно больше предела межэлектродного напряжения (1-1.5 МВ).

[MARS9]

juseppe

Да, абсолютно необходимое. Но очень простое - излучатель электронов ("нейтрализатор") несложен и потребляет немного энергии. Характеристики ионного двигателя определяются не им.

Еще точнее: нейтрализовать плазму нужно для того чтоб положительно заряженный газ (исходящий из двигателя) не притягивал отрицательно заряженный двигатель (собственно из-за этого двигатель в конце-концов потеряет тягу как мне здесь сказали), верно? А если каким-то образом удалить отрицательный заряд на двигателе (от электронов) то тогда не очень-то нужно нейтрализовать положительную заряженную струю газа идущего из двигателя, правильно? 

Нельзя создавать бесконечно большую разность потенциалов между электродами - иначе произойдет пробой.

Даже в том случае если между электродами будет плотный газ (плазма)?

Нельзя создавать большую концентрацию ионов в разгонном объеме двигателя - их суммарный заряд исказит и уменьшит электрическое поле, уменьшив эффективность работы.

То есть этот заряд должен быть меньше чем напряжение на электродах?

То есть, и энергия ионов на выходе ограничена, и количество ионов на единицу объема (а отсюда - и площади сечения) двигателя ограничено. Т.о., максимальная тяга на единицу площади сечения ограничена, максимальная энергия, передаваемая рабочему телу в данном объеме двигателя, - тоже.

Значит тупик да? Жаль, а то можно было бы построить мощный ионный двигатель которого тяга была бы таким же как у химический двигателей, взлетал бы корабль с таким двигателем с поверхности любой планеты..........

Берете массу атома углерода (равную относительной атомной масссе, умноженной на атомную единицу массы), и равную ~10-26 кг, и определяете, какая кинетическая энергия будет у него при скорости 100 км/сек (10-16 Дж). Выразив ее в электрон-вольтах (10-16 Дж = ~625 В). То есть, до 100 км/сек углерод можно разогнать напряжением 625 вольт. До 1000 - 62500 вольт До 10000 - теоретически надо напряжение 6250000 вольт, но 6 МВ - это существенно больше предела межэлектродного напряжения (1-1.5 МВ).

Отлично, попробую подсчитать сама для других атомов.......

Belll

Возможно, Вы еще ученик средних классов, а вопросы задаете по курсу физики для старших классов и даже вуза.

Да нет, я школу уже закончил, просто такие вещи всегда были интересны и потому решил здесь их узнать 



Я вот в эти дни перечитал много информации об Ионных и Плазменных двигателях (не только в Википедии) и обратил внимание на один деталь:
Вот когда есть плазма, смесь положительных Ионов и Электронов, и если использовать электрическое поле, то тот электрод который будет иметь положительный заряд будет отталкивать ионов а электронов-притягивать, это понятно. Интересно, как же обстоит дела с магнитным полем? У магнита же две полюса, интересно если один (например северный полюс) из них будет так сказать направлена к плазме то кого он будет отталкивать и кого притягивать? Ионов отталкивать а электронов притягивать или наоборот? Возможно я пропустил что-то, но в описании плазменных двигателей почему-то не увидел нейтрализатор положительных ионов который есть в ионных двигателях. Так значит ли это то что магнитное поле в отличии от электронного может одновременно ускорять и ионов и электронов?

[Belll]

Вот когда есть плазма, смесь положительных Ионов и Электронов, и если использовать электрическое поле, то тот электрод который будет иметь положительный заряд будет отталкивать ионов а электронов-притягивать, это понятно.

Да, с лампочкой все понятно, кроме того, как в нее по проводам поступает керосин...
Электронов в плазме нет, они вылавливаются при ионизации газа, а потом сбрасываются в нее обратно после выброса через "сопло", с нейтрализатора.

[juseppe]

А если каким-то образом удалить отрицательный заряд на двигателе (от электронов) то тогда не очень-то нужно нейтрализовать положительную заряженную струю газа идущего из двигателя, правильно? 

Так нейтрализатор именно это и делает - удаляет электроны с корабля. Примитивная электронная пушка, пуляющая приблизительно в ту же сторону, что и основной двигатель - ионы. Даже с меньшей скоростью - тяжёлые ионы подтягивают к себе электроны...

Даже в том случае если между электродами будет плотный газ (плазма)?

Как раз при наличии такого плотного газа пробой и произойдёт: плазма токопроводяща, и наличие её между электродами равнозначно короткому замыканию.

То есть этот заряд должен быть меньше чем напряжение на электродах?

Заряд и напряжение - разные величины, и потому несравнимы. Как длина и масса.

[MARS9]

Belll

Электронов в плазме нет

Это как? А где же они? Плазма если я точно помню это смесь электронов и положительных ионов...

juseppe

Как раз при наличии такого плотного газа пробой и произойдет: плазма токопроводяща, и наличие ее между электродами равнозначно короткому замыканию

А что будет если на плазме мы будем действовать не электрическим а магнитным полем?

[juseppe]

juseppe

Как раз при наличии такого плотного газа пробой и произойдет: плазма токопроводяща, и наличие ее между электродами равнозначно короткому замыканию

А что будет если на плазме мы будем действовать не электрическим а магнитным полем?

Будет плазменный ракетный двигатель, типа ВАЗИМРа. Который не следует путать с ионным. Больше тяга, меньше УИ. Промежуточный между химическими и ионными...

[dims]

В английской Вики написано, что плазменный двигатель -- это разновидность ионного. Мне тоже непонятно, почему плазменный двигатель -- это не ионный?

И ещё я не понял, на схеме ВАЗИМРа. Почему написано, что магнитное поле разгоняет плазму? Каким образом? Мне показалось, что радиоволны разогревают плазму, а потом она сама вырывается через магнитное сопло. Не так?

[MARS9]

juseppe

Будет плазменный ракетный двигатель, типа ВАЗИМРа. Который не следует путать с ионным. Больше тяга, меньше УИ. Промежуточный между химическими и ионными...

А в его случае магнитное поле (и следовательно скорость истечения газов из двигателя) не может быть ОЧЕНЬ сильным? Для этого есть предел?

[Даниил К]

Тяга маленькая как раз из-за того что энергии нужно много. Ограничения не в двигателе (имеющиеся источники электроэнергии, которые можно применять на КА, весят в разы или даже десятки раз больше на единицу мощности, чем ионные двигатели на единицу потребляемой ими мощности). Ядерный реактор при мощностях от может быть, 5-10 мегаватт, имел бы сравнимые с ионниками характеристики по удельной мощности и система пришла бы в баланс - но это дало бы рост ускорения аппарата всего в несколько раз и не решило бы радикально проблему. Занимает межорбитальная траектория год или 3 месяца - не суть важно, людей все равно послать нельзя, автоматику все равно можно. Наверное поэтому никто с ядерными реакторами в космосе и не заморачивается.

Был бы компактный реактор в 10Мвт электрических (не тепловых) на орбите - можно было бы сбацать многоразовый буксир-разгонник. При разгоне рабочего тела до скорости скажем 50 км/сек получаем возможность потратить: 10*10^6/(50,000^2/2)=0.008кг=8граммов рабочего тела за секунду (очень грубо, не учитывая кпд) Что дает нам тягу в 0.008*50,000=400Н.   
Если укладываемся в массу самого буксира 100 тонн то он сможет ускорять полезную нагрузку тоже в 100 тонн на 1 км/сек за 6 дней тратя на это 4 тонны этого самого рабочего тела. За пару месяцев работы таким образом можно послать 50 тонную АМС (остальные 50 - рабочее тело) куда угодно. А потом возращаться за новым грузом, работать такая штука может годами, только рабочее тело подвози.

[juseppe]

В английской Вики написано, что плазменный двигатель -- это разновидность ионного. Мне тоже непонятно, почему плазменный двигатель -- это не ионный?

Потому что в ионном разгоняется положительный ион, электростатическими силами. В том же поле электрон полетит в другую сторону. Грубо говоря, ионный двигатель - электростатический, а плазменный - электродинамический...

И ещё я не понял, на схеме ВАЗИМРа. Почему написано, что магнитное поле разгоняет плазму? Каким образом? Мне показалось, что радиоволны разогревают плазму, а потом она сама вырывается через магнитное сопло. Не так?

После разогрева сгустки плазмы "выталкиваются" электромагнитным полем. Типа, как в электромагнитной пушке-"гауссовке", маглеве или рейлгане. Или представь пробкотрон, у которого одна из магнитных пробок вдруг наращивает поле, а вторая - ослабляет, настолько быстро, что плазма не только просачивается через ослабленную пробку, но и выталкивается усиленной. Где-то так.

Реактивный двигатель использует радиоволны для ионизации рабочего тела с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги.

[dims]

Потому что в ионном разгоняется положительный ион, электростатическими силами. В том же поле электрон полетит в другую сторону. Грубо говоря, ионный двигатель - электростатический, а плазменный - электродинамический...

А, понял, спасибо, дошло.

[MARS9]

juseppe

После разогрева сгустки плазмы "выталкиваются" электромагнитным полем.

Чуть растерялся....
Электрическое поле что такое-знаю
Магнитное поле-тоже знаю
ЕСЛИ не ошибаюсь то электромагнитное поле это тоже самое что электромагнитное излучение (свет, радиоволны и так далее) которая движется со скоростью 300 000 км\сек но по-моему он не имеет заряд (или напряжение) и не может разогнать плазму. Существует нечто другое поле которое может разгонять плазму? 

[juseppe]

Электрическое поле что такое-знаю
Магнитное поле-тоже знаю
ЕСЛИ не ошибаюсь то электромагнитное поле это тоже самое что электромагнитное излучение

Цитата из Вики:

Электромагнитное поле — это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

В плазменном двигателе используется переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. Это если поподробнеее...

[dims]

Электрическое поле что такое-знаю
Магнитное поле-тоже знаю
ЕСЛИ не ошибаюсь то электромагнитное поле это тоже самое что электромагнитное излучение (свет, радиоволны и так далее) которая движется со скоростью 300 000 км\сек

Со скоростью света движутся любые возмущения электрического и/или магнитного поля. Если электрическое и/или магнитное поле изменяются во времени, то они порождают друг друга. Поэтому, в динамике всегда существуют оба поля в сочетании.

но по-моему он не имеет заряд (или напряжение) и не может разогнать плазму.

Плазма не заряжена. Плазма -- это газообразный электрический проводник. Любой проводник можно разогнать переменным ЭМ полем, как это происходит, например, в электрических моторах.

[MARS9]

juseppe

В плазменном двигателе используется переменное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. Это если поподробнеее...

Ну теперь понятно, раз там электромагнит будет и магнитное поле и электрическое тоже....

dims

Плазма -- это газообразный электрический проводник. Любой проводник можно разогнать переменным ЭМ полем, как это происходит, например, в электрических моторах.

А можно ли вычислять до каких скоростей может разогнать ТОЛЬКО магнитное поле (если допустим там будет обычный магнит а не электромагнит) плазму?