الدفع النفاث أو كيف يعمل محرك طائرة أيون

ليس سرا أن جميع المحركات النفاثة تعمل بسبب قانون الحفاظ على الزخم. ويترتب على ذلك أن الدفع النفاث هو نتاج معدل تدفق الكتلة ومعدل خروج السائل العامل من الفوهة .



تسمى هذه السرعة الدافع المحدد لمحرك نفاث. على سبيل المثال ، دعنا نجد قوة الدفع عند إطلاق النار من بندقية كلاشنيكوف ، وهي المكون الرئيسي للارتداد. دع كتلة الرصاصة تكون 0.016 كجم ، السرعة الأولية للرصاصة 700 م / ث ، ومعدل النار 10 ردات / ثانية . ثم العودة F = 700 ∙ 0.016 ∙ 10 = 112 N (أو 11 kgf) . عوائد رائعة ، ولكن معدل النار الفني هو 600 rds / min. في الواقع ، يتم إطلاق النار في رشقات نارية أو مفردة ويصل إلى ≈50 طلقة / دقيقة.


دعونا نعود إلى المحركات النفاثة الحقيقية ، حيث يتم استخدام تدفقات الغاز الخارجة بسرعة تفوق سرعة الصوت بدلاً من الرصاص. المحركات الكيميائية النفاثة هي الأكثر شيوعًا ، ولكنها ليست الوحيدة.

في هذه المقالة ، مع مقدمة رائعة ، أود أن أتحدث عن المحركات النفاثة الأيونية (يشار إليها فيما يلي باسم IRD). تستخدم IRD الجسيمات المشحونة - أيونات كوسيط عمل. الأيونات لها كتلة ، وإذا تم تشتيتها بواسطة مجال كهربائي ، فمن الممكن إنشاء جر تفاعلي. هذا كله نظريًا ، والآن أكثر. يحتوي IRD على احتياطي معين من الغاز المتأين (أي ، يتم فصل ذرات الغاز المشحون المحايدة إلى إلكترونات سالبة وأيونات موجبة) عن طريق تفريغ الغاز. ثم يتم تسريع الأيونات بمجال كهربائي باستخدام نظام شبكة خاص ، ونظام الشبكة نفسه يمنع حركة الإلكترونات. بعد هروب الأيونات الموجبة من الفوهة ، يتم تحييدها بواسطة الإلكترونات السالبة (نتيجة لإعادة التركيب ويبدأ الغاز في التوهج) بحيث لا تنجذب الأيونات إلى المحرك ، وبالتالي لا تقلل من دفعها.




الدافع المحدد للمحركات النفاثة الأيونية يصل إلى 50 كم / ثانية ، وهو 150 ضعف سرعة الصوت! للأسف ، فحوى هذه المحركات حوالي 0.2 N. لماذا؟ في الواقع ، فإن الدافع المحدد كبير جدًا. والحقيقة هي أن كتلة الأيونات صغيرة جدًا ومعدل تدفق الكتلة صغير. فلماذا إذن هناك حاجة إلى مثل هذه المحركات إذا لم تتمكن من تزاحم أي شيء؟ قد لا تكون قادرة على الأرض ، ولكن في الفضاء ، حيث لا توجد قوى مقاومة ، فهي فعالة للغاية. هناك شيء مثل الاندفاع الكامل - نتاج الدفع حسب الوقت أو نتاج الدفع المحدد بواسطة كتلة الوقود ، وهو كبير جدًا بالنسبة لـ IRD.

نحن نحل المشكلة التالية. دع محرك الصاروخ الذي يعمل بالوقود السائل لديه دفعة محددة تبلغ 5 كم / ثانية ، وسيكون IRD لدينا 50 كم / ثانية. ودعونا كتلة سائل العمل (في LRE تساوي كتلة الوقود) لكلا المحركين سيكون 50 كجم. نأخذ كتلة المركبة الفضائية تساوي 100 كجم.
باستخدام صيغة Tsiolkovsky ، نجد السرعة النهائية للجهاز (أي عندما تنتهي كتلة العمل فيه).



وماذا يحدث إذا كان لمحركات النفاثات الأيونية والكيميائية نفس كتلة الوقود ، فسيكون IRD قادرًا على تسريع المركبة الفضائية بسرعات عالية مقارنةً بالمادة الكيميائية RD. صحيح ، على IRD سوف تسرع المركبة الفضائية لفترة أطول إلى السرعة النهائية عنها على LRE. ولكن عند السفر إلى كواكب بعيدة ، ستعوض سرعة نهائية عالية (متسرعة) هذا العيب.


يتم استخدام IRD في عصرنا. على سبيل المثال ، أصبح الجهاز Deep Space 1 قريبًا من الكويكب والمذنب بوريلي ، ونقل كمية كبيرة من البيانات والصور العلمية القيمة إلى الأرض.


مساحة عميقة 1

بالإضافة إلى ذلك ، سيستخدم هوائي LISA الفضائي ، الذي هو حاليًا في مرحلة التصميم ، IRD لتصحيح مداره.


هوائي الفضاء التداخل الليزر

وأخيرًا ، دعنا نحدد اتجاه IRD ، مع معرفة كتلة أيون M = 6.5 ∙ 10 ^ -26 كجم ، تسريع الجهد U = 50 كيلو فولت ، تيار المعادلة I = 0.5 A ، شحنة أولية e = 1.6 ∙ 10 ^ - 16 سل .



الجهد هو عمل نقل الشحنة ، أي عند الخروج من الفوهة ، سيكون للأيون طاقة حركية مساوية لمنتج الجهد والشحنة الأيونية. من الطاقة الحركية نعبر عن السرعة (دفعة محددة). نجد تدفق الكتلة من تعريف التيار ، التيار الكهربائي هو شحنة المرور في الوقت المناسب. اتضح أن تدفق الكتلة هو نتاج كتلة الأيون والتيار مقسومًا على شحنة الأيون. بضرب معدل النبض ومعدل تدفق الكتلة ، نحصل على قوة دفع تساوي 0.1 N.



للتلخيص ، أود أن أقول أن هناك محركات نفاثة بلازما لها جهاز مشابه ، ولكن لديها معدل تدفق كتلة أكبر بكثير من سائل العمل. من يدري ، ربما ستطير البشرية غدا إلى المريخ والقمر على هذه المحركات.