Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[alex_semenov]

А зачем нужен именно саморазрушающийся ионник? Религия не позволяет рассматривать более современные подходы? Я так и не понял, что такого прекрасного в электродах.

Да ничего.
Если вы в VASIRM получите истечение 10-20 000 км/с и при этом масса составит 0.1 кг/кВт, я ЗА!
Кстати это ваше любимое устройство - магнитное устройство, верно?
Значит, ток оно потребляет в основном в виде рек кА? Не интересовались таким нюансом? Это было бы очень кстати, если он кушает амперы! Тогда снимается проблема преобразователя рек ампер из реактора в миллионы вольт на сетках электростатического ионника.

[SY]

Подарками природы выглядят также радий-226 ...

С распада радия-226 начинается быстрая цепочка распадов, в итоге образуется 5 атомов гелия. Т.е. интегральный график радия-226 должен лежать выше.
После распада плутония-238 образуется достаточно стабильный изотоп(с точки зрения применимости его естественной радиоактивности), поэтому практически в зачет идет один распад.

[Андрей Курилов]

Что я нашёл
http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic5706/?PAGEN_1=20

Говорят, если к реактору прикрутить ускоритель, то можно его сделать компактным и добиться удельной мощности ~1000 Вт/кг.

[Андрей Курилов]

С распада радия-226 начинается быстрая цепочка распадов, в итоге образуется 5 атомов гелия. Т.е. интегральный график радия-226 должен лежать выше.
После распада плутония-238 образуется достаточно стабильный изотоп(с точки зрения применимости его естественной радиоактивности), поэтому практически в зачет идет один распад.

Это всё учтено было.

[alex_semenov]

Кстати о преобразовании килоампер в мегавольты за ~0.1 кг/кВт.
Первая мысль. Такое устройство возможно, но просто никто не спешил его создавать. Нет смысла. Для электровозов и трамваев (где эта проблема есть но не так остро как у нас) преобразователи 1 кг/кВт более чем достаточны!
Даже для межпланетных ионников этого достаточно.

Какая мысль тут возникает?
Надо максимально использовать среду. То есть вакуум. То есть преобразователь должен быть неким вакуумным прибором, "лампой".
Я конечно не специалист в этой области, но мне кажется вот какой путь верным. Килоамперы должен потреблять очень мощный магнит и этот магнит каким-то образом должен выталкивать поток частиц против очень сильного статического поля, тех самых миллионов вольт разности потенциалов. 
По сути, нам нужно что-то типа компактного сильноточного линейного ускорителя, который потребляет кА тока при низком напряжении но генерирует относительна сильноточный (доли ампера) пучок электронов, который в силу своей огромной энергии создает миллионы вольт разности потенциалов между эмиттером и коллектором.
И как мне кается (креститься надо), в такой преобразователь можно "переделать" ионный двигатель на эффекте Холла.
Так как речь идет об электронах (нет затрат на ионизацию) КПД должен быть очень высоким, не ниже 95%.

[alex_semenov]

Говорят, если к реактору прикрутить ускоритель, то можно его сделать компактным и добиться удельной мощности ~1000 Вт/кг.

Нам этого мало. Нам надо в 10 раз больше.

Вообще не читайте "красных газет"! То есть сказок про экспедицию на Марс. Все разработки для Марса нам малоинтересны. Их надо сильно фильтровать. Там ДРУГАЯ задача. В чем-то легче (достаточно удельной мощности в 10-40 раз меньшей чем нам) а в чем-то прямо противоположная (им нужна ТЯГА за счет повышения секундного расхода рабочего тела взамен на скорость истечения. И для электроракет это целая проблема. У нас этой проблемы нет).

[AlexAV]

Алекс, разъясните еще что такое ипсилон 0.25, 0.1 на графике (сплошна, пунктирная линия)?

Разные значения эффективной черноты электродов.

Эффективная чернота здесь:



\epsilon_E - степень черноты эмиттера, \epsilon_C - степень черноты коллектора.

[alex_semenov]

Ага. Спасибо…
То есть, как я понимаю, речь идет о прямом паразитном теплопереносе от горячего эмиттера к холодному коллектору? Так как в зазоре почти вакуум (давление паров цезия минимально) то мы имеем эффект термоса и весь паразитный теплоперенос - через излучение в зазоре. Так? Поэтому чем выше чернота эмиттера ниже у коллектора, тем выше все остальные параметры (пунктирная линия).

[AlexAV]

Разумеется это сверхоптимизм. Энергия частиц у него много выше и каждое попадание по-идее будет сильней разрушать решетку. Тут нужна более детальная модель, но есть сильное подозрение что в 100 раз ресурс все же возрастет. А это уже 300-500 лет.

Сетка разрушается в следствие катодного распыления. А вот зависимость коэффициентов распыления от энергии ионов совсем немонотонная. Вот например коэффициент распыления меди ионами криптона:



Видно, что максимальное значение он принимает при энергии иона в 100 кэВ, а далее падать. Это соответствует УИ в 480 км/с. При этом износ сетки на единицы прошедшей массы будет максимальным, а вот при дальнейшем повышении энергии ионов (т.е. УИ) он наоборот начнёт снижаться. При энергии ионов более 1МэВ (УИ> 1500 км/с) он не будет превышать эрозии при энергии 3 кэВ, т.е. УИ в 87 км/с (что есть величина порядка УИ существующих ионных двигателей).

Т.е. переход к сверхвысоким УИ (>1500 км/c) не увеличит, а скорее уменьшит износ сетки на единицу пропущенной массы по сравнению с существующими ионными двигателями с малыми значениями УИ.

[AlexAV]

То есть, как я понимаю, речь идет о прямом паразитном теплопереносе от горячего эмиттера к холодному коллектору? Так как в зазоре почти вакуум (давление паров цезия минимально) то мы имеем эффект термоса и весь паразитный теплоперенос - через излучение в зазоре. Так? Поэтому чем выше чернота эмиттера ниже у коллектора, тем выше все остальные параметры (пунктирная линия).

Да, именно так. Только наоборот. Чем ниже чернота (меньше излучение), тем лучше характеристики (сплошная линия там это эффективная чернота 0,25, пунктирная (которая выше) - 0,1).

[alex_semenov]

Чем ниже чернота (меньше излучение), тем лучше характеристики (сплошная линия там это эффективная чернота 0,25, пунктирная (которая выше) - 0,1).

Блин, ну да... термос изнутри зеркален с обеих же сторон! 

е. переход к сверхвысоким УИ (>1500 км/c) не увеличит, а скорее уменьшит износ сетки на единицу пропущенной массы по сравнению с существующими ионными двигателями с малыми значениями УИ. 

Класс! То есть, тут все очень даже в шоколаде! То есть наши ионники смогут работать по 1000 лет! Алекс, а ссылочки не дадите, где взяли последние два графика? Ну для солидности, типа…

[alex_semenov]

Чем ниже чернота (меньше излучение), тем лучше характеристики (сплошная линия там это эффективная чернота 0,25, пунктирная (которая выше) - 0,1).

Блин, ну да... термос изнутри зеркален с обеих же сторон! 

е. переход к сверхвысоким УИ (>1500 км/c) не увеличит, а скорее уменьшит износ сетки на единицу пропущенной массы по сравнению с существующими ионными двигателями с малыми значениями УИ. 

Класс! То есть, тут все очень даже в шоколаде! То есть наши ионники смогут работать по 1000 лет! Алекс, а ссылочки не дадите, где взяли последние два графика? Ну для солидности, типа…


Алекс, что с моим проектом реактора? Я жду разноса. А то я начну мечтать еще о более компактном реакторе.

[SY]

Т.е. переход к сверхвысоким УИ (>1500 км/c) не увеличит, а скорее уменьшит износ сетки

Износа можно совсем избежать, если ионы не будут задевать сетку. Для этого высоковольтный электрод делают кольцевым, а ионы должны поступать уже предварительно разогнаными и строго по оси.
Этого можно добиться линейным синхронным ускорителем.

Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов ... Основным преимуществом является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.




PS. Если повысить степень ионизации ионов, то их конечная скорость должна быть выше.

[Андрей Курилов]

Класс! То есть, тут все очень даже в шоколаде! То есть наши ионники смогут работать по 1000 лет!

М/б 10 лет или, в крайнем случае, 100? Почему именно 1000? Я не увидел вывода именно такого числа из графика.

А то я начну мечтать еще о более компактном реакторе.

Забыл сказать про ту ветку на НК про Марс - там речь о субкритическом реакторе, потенциально способном к высокому значению Вт/кг.

[AlexAV]

Забыл сказать про ту ветку на НК про Марс - там речь о субкритическом реакторе, потенциально способном к высокому значению Вт/кг.

Субкритика с высокой удельной мощностью плохо совместима. К реактору в этом случае нужен ускоритель (причём до энергий в несколько ГэВ), а это агрегат не маленький и совсем не лёгкий.

[AlexAV]

М/б 10 лет или, в крайнем случае, 100? Почему именно 1000? Я не увидел вывода именно такого числа из графика

Ресурс сетки корректнее определять не в годах, а в массе вещества прошедшей через единицу её площади. А уж пройдёт она за год или за тысячу лет - несущественно. Так вот  ресурс сетки по пропущенной массе рабочего тела как минимум не ухудшится по сравнению с существующими малоимпульсными ионниками.

Вот некоторые фактические данные по существующему ионнику NASA Evolutionary Xenon Thruster:

http://erps.spacegrant.org/uploads/images/images/iepc_articledownload_1988-2007/2009index/IEPC-2009-150.pdf

Т.е. движок с мощностью 1.215 кВт имеет ресурс позволяющий пропустить через себя 2705 кг ксенона.

[AlexAV]

лекс, а ссылочки не дадите, где взяли последние два графика?

Первый график взят из книги:

Б.А. Ушаков, В.Д. Никитин, И.Я. Емельянов "Основы термоэмиссионного преобразования энергии"

Второй из обзора:

Н.В. Плешивцев "Физические проблемы катодного распыления"

[alex_semenov]

Ага. Спасибо.
О удельной мощности.
Есть переводная статья у И. Моисеева.

ЭКСПЕДИЦИЯ НА РАССТОЯНИЕ В ТЫСЯЧУ АСТРОНОМИЧЕСКИХ ЕДИНИЦ - ПРОЕКТ TAU 1987-го года.
Оттуда:

В процессе исследований стало ясно, что вряд ли можно добиться эффективности энергосистемы, лучшей чем 12,5 кг/кВт, что при требуемой мощности 1 МВт отвечает массе установки 12,5 т. Однако и это потребует качественных скачков в существующих технологиях.



1000/12.5= 80 Вт/кг.
Очень близко к вашей оценке. Чуть даже лучше (вы давали 60 Вт/кг. Но у вас явно большая доля полезной нагрузки). Но здесь, кстати предполагалась именно термоэмиссия. То есть мои вожделения получить более чем в 10 раз лучше (1000 Вт/кг) очень оптимистичны.
 
Хотя это конец 80-х но с тех пор ничего не изменилось настолько, чтобы улучшить оценку.

[alex_semenov]

Более "приземленные" но и более современные, чем ТАУ, проекты систем с ионным приводом  дают подобную удельную мощность (по порядку):



1000 000Вт /20290кг = 49.3 Ватт/кн ~50 Ватт/кг

[Андрей Курилов]

Что меня всегда смущало в капельных радиаторах, так это давление насыщенных паров жидкости с некоторой высокой температурой в вакууме и соответствующая скорость испарения капель в никуда.