Empuje de chorro o cómo funciona un motor de iones

No es ningún secreto que todos los motores a reacción funcionan debido a la ley de conservación del impulso. De ello se deduce que el empuje del chorro es el producto de la velocidad de flujo másico y la velocidad de salida del fluido de trabajo de la boquilla .



Esta velocidad se llama impulso específico de un motor a reacción. Por ejemplo, busquemos el empuje del jet cuando se dispara desde un rifle de asalto Kalashnikov, que es el componente principal del retroceso. Deje que la masa de la bala sea de 0.016 kg , la velocidad inicial de la bala sea de 700 m / s , y la velocidad de disparo sea de 10 rds / s . Entonces el retorno F = 700 ∙ 0.016 ∙ 10 = 112 N (o 11 kgf) . Grandes retornos, pero la velocidad de disparo técnica es de 600 rds / min. En realidad, los disparos se realizan en ráfagas o solos y suman ≈50 rondas / min.


Volvamos a los motores a reacción reales, en los que, en lugar de balas, generalmente se utilizan flujos de gas que salen a una velocidad hipersónica. Los motores a reacción químicos son los más comunes, pero no los únicos.

En este artículo, con una gran introducción, quiero hablar sobre los motores de chorro de iones (en adelante, IRD). Los IRD usan partículas cargadas - iones como medio de trabajo. Los iones tienen una masa, y si se dispersan por un campo eléctrico, es posible crear una tracción reactiva. Todo esto es en teoría, y ahora más. El IRD tiene una cierta reserva de gas que está ionizada (es decir, los átomos de gas con carga neutra se descomponen en electrones negativos e iones positivos) mediante una descarga de gas. Luego, los iones son acelerados por un campo eléctrico usando un sistema de rejilla especial, y el mismo sistema de rejilla bloquea el movimiento de los electrones. Después de que los iones positivos han escapado de la boquilla, son neutralizados por electrones negativos (como resultado de esta recombinación y el gas comienza a brillar) para que los iones no vuelvan a ser atraídos hacia el motor y, por lo tanto, no reduzcan su empuje.




¡El impulso específico de los motores de chorro de iones alcanza 50 km / s, que es 150 veces la velocidad del sonido! Por desgracia, el empuje de tales motores es de aproximadamente 0,2 N. ¿Por qué? De hecho, el impulso específico es muy grande. El hecho es que la masa de iones es muy pequeña y el caudal másico es pequeño. ¿Por qué entonces se necesitan tales motores si no pueden mover nada? Es posible que no puedan hacerlo en la Tierra, pero en el espacio, donde no hay fuerzas de resistencia, son bastante efectivos. Existe un impulso completo: el producto del impulso por el tiempo o el producto del impulso específico por la masa de combustible , que es bastante grande para el IRD.

Resolvemos el siguiente problema. Deje que un motor cohete propulsor líquido tenga un impulso específico de 5 km / s, y nuestro IRD tendrá 50 km / s. Y supongamos que la masa del fluido de trabajo (en LRE es igual a la masa de combustible) para ambos motores será de 50 kg. Tomamos la masa de la nave espacial igual a 100 kg.
Usando la fórmula Tsiolkovsky, encontramos la velocidad final del aparato (es decir, cuando la masa de trabajo termina en él).



Y qué sucede si los motores a reacción de iones y químicos tienen la misma masa de combustible, entonces el IRD podrá acelerar la nave espacial a altas velocidades que un RD químico. Es cierto que en el IRD la nave espacial acelerará más hasta la velocidad final que en el LRE. Pero cuando viaja a planetas distantes, una alta velocidad final (aceleración) compensará este inconveniente.


IRD se utilizan en nuestro tiempo. Por ejemplo, el dispositivo Deep Space 1 se acercó al asteroide Braille y al cometa Borelli, y transmitió una cantidad significativa de datos e imágenes científicas valiosas a la Tierra.


Espacio profundo 1

Además, la antena espacial LISA, que actualmente se encuentra en la etapa de diseño, utilizará el IRD para corregir su órbita.


Antena espacial de interferómetro láser

Y finalmente, determinemos el empuje del IRD, conociendo la masa del ion M = 6.5 ∙ 10 ^ -26 kg , voltaje de aceleración U = 50 kV , corriente de neutralización I = 0.5 A , carga elemental e = 1.6 ∙ 10 ^ - 16 cl .



El voltaje es el trabajo de transferencia de carga, es decir A la salida de la boquilla, el ion tendrá una energía cinética igual al producto de voltaje y carga de iones. De la energía cinética expresamos velocidad (impulso específico). Encontramos el flujo de masa a partir de la definición de corriente, la corriente eléctrica es la carga que pasa en el tiempo. Resulta que el flujo de masa es el producto de la masa del ion y la corriente dividida por la carga del ion. Multiplicando el impulso específico y el caudal másico, obtenemos un empuje igual a 0.1 N.



Para resumir, quiero decir que hay motores de chorro de plasma que tienen un dispositivo similar, pero que tienen una tasa de flujo másico mucho mayor del fluido de trabajo. Quién sabe, tal vez mañana la humanidad volará a Marte y la Luna en tales motores.