Poussée d'un jet ou comment fonctionne un moteur à jet ionique

Ce n'est un secret pour personne que tous les réacteurs fonctionnent en raison de la loi de conservation de l'élan. Il en résulte que la poussée du jet est le produit du débit massique et du taux de sortie du fluide de travail de la buse .



Cette vitesse est appelée l'impulsion spécifique d'un turboréacteur. Par exemple, trouvons la poussée d'un jet lorsque vous tirez à partir d'un fusil d'assaut Kalachnikov, qui est la principale composante du recul. Que la masse de la balle soit de 0,016 kg , la vitesse initiale de la balle est de 700 m / s et la cadence de tir est de 10 rds / s . Ensuite, le retour F = 700 ∙ 0,016 ∙ 10 = 112 N (ou 11 kgf) . Grands retours, mais la cadence de tir technique est de 600 tours / min. En réalité, la prise de vue s'effectue en rafales ou en single et revient à ≈50 coups / min.


Revenons à de vrais réacteurs, dans lesquels, au lieu de balles, des flux de gaz sortant à une vitesse hypersonique sont généralement utilisés. Les moteurs à réaction chimiques sont les plus courants, mais pas les seuls.

Dans cet article, avec une excellente introduction, je veux parler des moteurs à jet ionique (ci-après dénommés IRD). Les IRD utilisent des particules chargées - des ions comme milieu de travail. Les ions ont une masse, et s'ils sont dispersés par un champ électrique, il est possible de créer une traction réactive. C'est tout en théorie, et maintenant plus. L'IRD a une certaine réserve de gaz qui est ionisée (c'est-à-dire que les atomes de gaz chargés neutres sont décomposés en électrons négatifs et en ions positifs) au moyen d'une décharge de gaz. Ensuite, les ions sont accélérés par un champ électrique à l'aide d'un système de grille spécial, et le même système de grille bloque le mouvement des électrons. Une fois que les ions positifs se sont échappés de la buse, ils sont neutralisés par des électrons négatifs (à la suite de cette recombinaison et le gaz commence à briller) de sorte que les ions ne sont pas attirés par le moteur et ne réduisent donc pas sa poussée.




L'impulsion spécifique des moteurs à réaction ionique atteint 50 km / s, soit 150 fois la vitesse du son! Hélas, la poussée de ces moteurs est d'environ 0,2 N. Pourquoi? En effet, l'impulsion spécifique est très importante. Le fait est que la masse des ions est très petite et le débit massique est faible. Pourquoi alors de tels moteurs sont-ils nécessaires s'ils ne peuvent rien bouger? Ils ne le peuvent peut-être pas sur Terre, mais dans l'espace, où il n'y a pas de forces de résistance, ils sont assez efficaces. Il existe une impulsion complète - le produit de la poussée par le temps ou le produit de l'impulsion spécifique par la masse de carburant , ce qui est assez important pour l'IRD.

Nous résolvons le problème suivant. Laissez un moteur-fusée à propergol liquide avoir une impulsion spécifique de 5 km / s, et notre IRD aura 50 km / s. Et disons que la masse du fluide de travail (en LRE est égale à la masse de carburant) pour les deux moteurs sera de 50 kg. Nous prenons la masse de l'engin spatial égale à 100 kg.
En utilisant la formule de Tsiolkovsky, nous trouvons la vitesse finale de l'appareil (c'est-à-dire lorsque la masse de travail s'y termine).



Et que se passe-t-il si les moteurs à jet ionique et chimique ont la même masse de carburant, l'IRD pourra alors accélérer le vaisseau spatial à des vitesses élevées qu'un RD chimique. Certes, sur l'IRD, le vaisseau spatial accélérera plus longtemps à la vitesse finale que sur le LRE. Mais lorsque vous voyagez vers des planètes éloignées, une vitesse finale élevée (accélération) compensera cet inconvénient.


IRD sont utilisés à notre époque. Par exemple, l'appareil Deep Space 1 est devenu proche de l'astéroïde Braille et de la comète Borelli, et a transmis une quantité importante de données et d'images scientifiques précieuses à la Terre.


Espace lointain 1

De plus, l'antenne spatiale LISA, qui est actuellement au stade de la conception, utilisera l'IRD pour corriger son orbite.


Antenne spatiale d'interféromètre laser

Et enfin, déterminons la poussée IRD, connaissant la masse de l'ion M = 6,5 ∙ 10 ^ -26 kg , tension d'accélération U = 50 kV , courant de neutralisation I = 0,5 A , charge élémentaire e = 1,6 ∙ 10 ^ - 16 cl .



La tension est l'œuvre du transfert de charge, c'est-à-dire à la sortie de la buse, l'ion aura une énergie cinétique égale au produit de la tension et de la charge ionique. De l'énergie cinétique, nous exprimons la vitesse (impulsion spécifique). Nous trouvons le débit massique à partir de la définition du courant, le courant électrique est la charge qui passe dans le temps. Il s'avère que le débit massique est le produit de la masse de l'ion et du courant divisé par la charge de l'ion. En multipliant l'impulsion spécifique et le débit massique, on obtient une poussée égale à 0,1 N.



Pour résumer, je tiens à dire qu'il existe des moteurs à jet de plasma qui ont un dispositif similaire, mais qui ont un débit massique beaucoup plus élevé du fluide de travail. Qui sait, peut-être que l'humanité volera demain vers Mars et la Lune sur de tels moteurs.