Jet Thrust oder wie ein Ionenstrahltriebwerk funktioniert

Es ist kein Geheimnis, dass alle Düsentriebwerke aufgrund des Impulserhaltungsgesetzes arbeiten. Daraus folgt, dass der Strahlschub das Produkt des Massenstroms und der Austrittsrate des Arbeitsmediums aus der Düse ist .



Diese Geschwindigkeit wird als spezifischer Impuls eines Strahltriebwerks bezeichnet. Lassen Sie uns zum Beispiel den Jet-Schub finden, wenn Sie mit einem Kalaschnikow-Sturmgewehr schießen, das die Hauptkomponente des Rückstoßes ist. Die Masse des Geschosses sei 0,016 kg , die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses beträgt 700 m / s und die Feuerrate 10 rds / s . Dann ist die Rückgabe F = 700 ≤ 0,016 ≤ 10 = 112 N (oder 11 kgf) . Tolle Renditen, aber die technische Feuerrate beträgt 600 rds / min. In der Realität wird das Schießen in Serien oder Einzelaufnahmen durchgeführt und beträgt ~ 50 Schuss / min.


Kehren wir zu echten Düsentriebwerken zurück, bei denen anstelle von Kugeln normalerweise Gasflüsse verwendet werden, die mit Überschallgeschwindigkeit austreten. Chemische Strahltriebwerke sind die häufigsten, aber nicht die einzigen.

In diesem Artikel möchte ich mit einer großartigen Einführung über Ionenstrahltriebwerke (im Folgenden als IRD bezeichnet) sprechen. IRDs verwenden geladene Teilchen - Ionen als Arbeitsmedium. Ionen haben eine Masse, und wenn sie durch ein elektrisches Feld verteilt werden, ist es möglich, eine reaktive Traktion zu erzeugen. Das ist alles in der Theorie und jetzt mehr. Die IRD hat eine bestimmte Gasreserve, die mittels einer Gasentladung ionisiert wird (d. H. Neutral geladene Gasatome werden in negative Elektronen und positive Ionen zerlegt). Dann werden die Ionen durch ein elektrisches Feld unter Verwendung eines speziellen Gittersystems beschleunigt, und dasselbe Gittersystem blockiert die Bewegung von Elektronen. Nachdem positive Ionen aus der Düse ausgetreten sind, werden sie durch negative Elektronen neutralisiert (infolge dieser Rekombination und das Gas beginnt zu glühen), so dass die Ionen nicht vom Motor zurückgezogen werden und somit seinen Schub nicht verringern.




Der spezifische Impuls von Ionenstrahltriebwerken erreicht 50 km / s, was dem 150-fachen der Schallgeschwindigkeit entspricht! Leider beträgt der Schub solcher Motoren etwa 0,2 N. Warum? In der Tat ist der spezifische Impuls sehr groß. Tatsache ist, dass die Masse der Ionen sehr klein und der Massenstrom klein ist. Warum werden solche Motoren dann benötigt, wenn sie nichts bewegen können? Sie sind vielleicht nicht in der Lage, auf der Erde, aber im Weltraum, wo es keine Widerstandskräfte gibt, sind sie ziemlich effektiv. Es gibt so etwas wie einen vollen Impuls - das Produkt des Schubes durch die Zeit oder das Produkt des spezifischen Impulses durch die Masse des Kraftstoffs , der für das IRD ziemlich groß ist.

Wir lösen das folgende Problem. Lassen Sie einen Raketentriebwerk mit flüssigem Treibstoff einen spezifischen Impuls von 5 km / s haben, und unser IRD wird 50 km / s haben. Die Masse des Arbeitsmediums (in LRE entspricht sie der Kraftstoffmasse) für beide Motoren beträgt 50 kg. Wir nehmen die Masse des Raumfahrzeugs gleich 100 kg.
Unter Verwendung der Tsiolkovsky-Formel finden wir die Endgeschwindigkeit der Vorrichtung (d. H. Wenn die Arbeitsmasse darin endet).



Und was passiert, wenn Ionen- und Chemiestrahltriebwerke die gleiche Kraftstoffmasse haben, kann das IRD das Raumschiff auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigen als ein chemisches RD. Auf dem IRD beschleunigt das Raumschiff zwar länger auf die Endgeschwindigkeit als auf dem LRE. Wenn Sie jedoch zu fernen Planeten reisen, wird dieser Nachteil durch eine hohe Endgeschwindigkeit (Beschleunigungsgeschwindigkeit) ausgeglichen.


IRD werden in unserer Zeit verwendet. Zum Beispiel kam das Gerät Deep Space 1 dem Asteroiden Braille und dem Kometen Borelli nahe und übertrug eine bedeutende Menge wertvoller wissenschaftlicher Daten und Bilder auf die Erde.


Weltraum 1

Außerdem wird die LISA-Raumantenne, die sich derzeit in der Entwurfsphase befindet, das IRD verwenden, um ihre Umlaufbahn zu korrigieren.


Laserinterferometer-Weltraumantenne

Und schließlich bestimmen wir den IRD-Schub, indem wir die Masse des Ions M = 6,5 ∙ 10 ^ -26 kg , die Beschleunigungsspannung U = 50 kV , den Neutralisationsstrom I = 0,5 A , die Elementarladung e = 1,6 ∙ 10 ^ - kennen. 16 cl .



Spannung ist die Arbeit der Ladungsübertragung, d.h. Am Ausgang der Düse hat das Ion eine kinetische Energie, die dem Produkt aus Spannung und Ionenladung entspricht. Aus kinetischer Energie drücken wir Geschwindigkeit (spezifischer Impuls) aus. Wir finden den Massenstrom aus der Definition von Strom, elektrischer Strom ist die zeitlich vorbeiziehende Ladung. Es stellt sich heraus, dass der Massenstrom das Produkt aus der Masse des Ions und dem Strom geteilt durch die Ladung des Ions ist. Multipliziert man den spezifischen Impuls und den Massendurchsatz, so erhält man einen Schub von 0,1 N.



Zusammenfassend möchte ich sagen, dass es Plasmastrahltriebwerke gibt, die eine ähnliche Vorrichtung haben, aber einen viel größeren Massenstrom des Arbeitsmediums haben. Wer weiß, vielleicht fliegt die Menschheit morgen mit solchen Motoren zum Mars und zum Mond.