Impulso a jato ou como funciona um mecanismo a jato de íons

Não é segredo que todos os motores a jato operam devido à lei de conservação do momento. Daqui resulta que o impulso do jato é o produto da vazão mássica e da vazão de saída do fluido de trabalho do bico .



Essa velocidade é chamada de impulso específico de um motor a jato. Por exemplo, vamos encontrar um impulso de jato ao disparar de uma espingarda de assalto Kalashnikov, que é o principal componente do recolhimento. Seja a massa da bala de 0,016 kg , a velocidade inicial da bala é de 700 m / s e a taxa de tiro é de 10 rds / s . Então o retorno F = 700 × 0,016 × 10 = 112 N (ou 11 kgf) . Grandes retornos, mas a taxa técnica de incêndio é de 600 rds / min. Na realidade, o disparo é realizado em rajadas ou simples e equivale a to50 rodadas / min.


Voltemos aos motores a jato reais, nos quais, em vez de balas, são usados ​​fluxos de gás que saem a uma velocidade hipersônica. Motores a jato químico são os mais comuns, mas não os únicos.

Neste artigo, com uma ótima introdução, quero falar sobre os motores a jato de íons (a seguir denominados IRD). Os IRDs usam partículas carregadas como íons como meio de trabalho. Os íons têm uma massa e, se forem dispersos por um campo elétrico, é possível criar tração reativa. Isso tudo é em teoria e agora mais. O IRD tem uma certa reserva de gás que é ionizada (isto é, átomos de gás com carga neutra são divididos em elétrons negativos e íons positivos) por meio de uma descarga de gás. Em seguida, os íons são acelerados por um campo elétrico usando um sistema de grade especial, e o mesmo sistema de grade bloqueia o movimento dos elétrons. Depois que os íons positivos escapam do bico, eles são neutralizados por elétrons negativos (como resultado dessa recombinação e o gás começa a brilhar) para que os íons não sejam atraídos de volta para o motor e, portanto, não reduzam seu impulso.




O impulso específico dos motores a jato de íons atinge 50 km / s, que é 150 vezes a velocidade do som! Infelizmente, o impulso de tais motores é de cerca de 0,2 N. Por que? De fato, o impulso específico é muito grande. O fato é que a massa de íons é muito pequena e a taxa de fluxo de massa é pequena. Por que, então, esses mecanismos são necessários se eles não conseguem mover nada? Eles podem não ser capazes de fazer isso na Terra, mas no espaço, onde não há forças de resistência, eles são bastante eficazes. Existe um impulso total - o produto do impulso pelo tempo ou o produto do impulso específico pela massa de combustível , que é bastante grande para o IRD.

Resolvemos o seguinte problema. Deixe um motor de foguete de propulsor líquido ter um impulso específico de 5 km / s, e nosso IRD terá 50 km / s. E a massa do fluido de trabalho (no LRE é igual à massa de combustível) para ambos os motores será de 50 kg. Tomamos a massa da nave espacial igual a 100 kg.
Usando a fórmula de Tsiolkovsky, encontramos a velocidade final do aparelho (isto é, quando a massa de trabalho termina nele).



E o que acontece se os motores a jato de íons e químicos tiverem a mesma massa de combustível, o IRD poderá acelerar a espaçonave a altas velocidades que um RD químico. É verdade que, no IRD, a sonda acelerará mais tempo até a velocidade final do que no LRE. Porém, ao viajar para planetas distantes, uma alta velocidade final (aceleradora) compensará essa desvantagem.


IRD são usados ​​em nosso tempo. Por exemplo, o dispositivo Deep Space 1 se aproximou do asteróide Braille e do cometa Borelli e transmitiu uma quantidade significativa de dados e imagens científicas valiosas para a Terra.


Espaço profundo 1

Além disso, a antena espacial LISA, que está atualmente na fase de projeto, usará o IRD para corrigir sua órbita.


Antena Espacial para Interferômetro a Laser

E finalmente, vamos determinar o impulso do IRD, conhecendo a massa do íon M = 6,5 ∙ 10 ^ -26 kg , tensão de aceleração U = 50 kV , corrente de neutralização I = 0,5 A , carga elementar e = 1,6 ∙ 10 ^ - 16 cl .



Tensão é o trabalho de transferência de carga, ou seja, na saída do bico, o íon terá energia cinética igual ao produto da tensão e carga do íon. A partir da energia cinética, expressamos velocidade (impulso específico). Encontramos o fluxo de massa a partir da definição de corrente, a corrente elétrica é a carga que passa no tempo. Acontece que o fluxo de massa é o produto da massa do íon e da corrente dividida pela carga do íon. Multiplicando o impulso específico e a vazão mássica, obtemos um empuxo igual a 0,1 N.



Para resumir, quero dizer que existem motores a jato de plasma que possuem um dispositivo semelhante, mas que possuem uma taxa de fluxo de massa muito maior do fluido de trabalho. Quem sabe, talvez amanhã a humanidade voe para Marte e a Lua em tais motores.