Dorongan jet atau bagaimana mesin ion jet bekerja

Bukan rahasia lagi bahwa semua mesin jet beroperasi karena hukum kekekalan momentum. Maka dari itu jet dorong adalah produk laju aliran massa dan laju keluarnya fluida kerja dari nozzle .



Kecepatan ini disebut dorongan spesifik dari mesin jet. Sebagai contoh, mari kita temukan dorongan jet ketika menembak dari senapan serbu Kalashnikov, yang merupakan komponen utama recoil. Biarkan massa peluru menjadi 0,016 kg , kecepatan awal peluru adalah 700 m / s , dan laju tembakan adalah 10 rds / s . Kemudian pengembalian F = 700 ∙ 0,016 ∙ 10 = 112 N (atau 11 kgf) . Pengembalian besar, tetapi tingkat teknis api adalah 600 rds / mnt. Pada kenyataannya, pemotretan dilakukan dalam semburan atau tunggal dan berjumlah ≈50 putaran / menit.


Mari kita kembali ke mesin jet nyata, di mana alih-alih fluks peluru yang keluar dengan kecepatan hipersonik biasanya digunakan. Mesin jet kimia adalah yang paling umum, tetapi bukan satu-satunya.

Pada artikel ini, dengan pengantar yang bagus, saya ingin berbicara tentang mesin ion jet (selanjutnya disebut IRD). IRD menggunakan partikel bermuatan - ion sebagai media kerja. Ion memiliki massa, dan jika terdispersi oleh medan listrik, dimungkinkan untuk membuat traksi reaktif. Ini semua dalam teori, dan sekarang lebih. IRD memiliki cadangan gas tertentu yang terionisasi (mis., Atom gas bermuatan netral dipecah menjadi elektron negatif dan ion positif) melalui pelepasan gas. Kemudian ion dipercepat oleh medan listrik menggunakan sistem grid khusus, dan sistem grid yang sama menghambat pergerakan elektron. Setelah ion positif keluar dari nosel, ion tersebut dinetralkan oleh elektron negatif (akibat rekombinasi ini dan gas mulai menyala) sehingga ion tidak tertarik kembali ke mesin, dan dengan demikian tidak mengurangi dorongnya.




Impuls spesifik mesin ion jet mencapai 50 km / s, yang 150 kali kecepatan suara! Sayangnya, daya dorong mesin tersebut sekitar 0,2 N. Mengapa begitu? Memang, dorongan spesifiknya sangat besar. Faktanya adalah massa ion sangat kecil dan laju aliran massa kecil. Lalu mengapa mesin seperti itu dibutuhkan jika mereka tidak bisa bergerak apa pun? Mereka mungkin tidak bisa di Bumi, tetapi di ruang angkasa, di mana tidak ada kekuatan perlawanan, mereka cukup efektif. Ada yang namanya impuls penuh - produk dorong oleh waktu atau produk impuls spesifik oleh massa bahan bakar , yang cukup besar untuk IRD.

Kami memecahkan masalah berikut. Biarkan mesin roket berbahan bakar cair memiliki impuls spesifik 5 km / s, dan IRD kami akan memiliki 50 km / s. Dan mari massa dari fluida yang bekerja (dalam LRE itu sama dengan massa bahan bakar) untuk kedua mesin akan menjadi 50 kg. Kami mengambil massa pesawat ruang angkasa sebesar 100 kg.
Menggunakan rumus Tsiolkovsky, kami menemukan kecepatan akhir peralatan (mis., Ketika massa pekerja berakhir di dalamnya).



Dan apa yang terjadi jika mesin jet ion dan kimia memiliki massa bahan bakar yang sama, maka IRD akan dapat mempercepat pesawat ruang angkasa ke kecepatan tinggi daripada RD kimia. Benar, pada IRD pesawat ruang angkasa akan berakselerasi lebih lama ke kecepatan akhir daripada pada LRE. Tetapi ketika bepergian ke planet yang jauh, kecepatan (percepatan) akhir yang tinggi akan mengimbangi kelemahan ini.


IRD digunakan di zaman kita. Sebagai contoh, perangkat Deep Space 1 menjadi dekat dengan Braille asteroid dan komet Borelli, dan mentransmisikan sejumlah besar data ilmiah yang berharga dan gambar ke Bumi.


Ruang dalam 1

Juga, antena ruang LISA, yang saat ini pada tahap desain, akan menggunakan IRD untuk mengoreksi orbitnya.


Antena Antariksa Laser Interferometer

Dan akhirnya, mari kita tentukan gaya dorong IRD, mengetahui massa ion M = 6,5 ∙ 10 ^ -26 kg , percepatan tegangan U = 50 kV , arus netralisasi I = 0,5 A , muatan dasar e = 1,6 ∙ 10 ^ - 16 cl .



Tegangan adalah pekerjaan transfer biaya, mis. pada saat keluar dari nosel, ion akan memiliki energi kinetik yang sama dengan produk tegangan dan muatan ion. Dari energi kinetik kami menyatakan kecepatan (impuls spesifik). Kami menemukan aliran massa dari definisi arus, arus listrik adalah muatan yang lewat dalam waktu. Ternyata aliran massa adalah produk dari massa ion dan arus dibagi dengan muatan ion. Mengalikan impuls spesifik dan laju aliran massa, kami memperoleh daya dorong sama dengan 0,1 N.



Sebagai rangkuman, saya ingin mengatakan bahwa ada mesin jet plasma yang memiliki perangkat serupa, tetapi memiliki laju aliran massa yang jauh lebih besar dari fluida yang bekerja. Siapa tahu, mungkin besok umat manusia akan terbang ke Mars dan Bulan dengan mesin seperti itu.