喷射推力或离子喷射发动机的工作原理

由于动量守恒定律，所有喷气发动机都在运转并不是什么秘密。 由此可知， 喷射推力是质量流率与工作流体从喷嘴流出的速率的乘积 。



该速度称为喷气发动机的比冲。 例如，让我们找出从卡拉什尼科夫突击步枪射击时的射流推力，后者是后坐力的主要组成部分。 假定子弹质量为0.016 kg ，子弹的初始速度为700 m / s ，射速为10 rds / s 。 然后返回F = 700∙0.016∙10 = 112 N（或11 kgf） 。 回报很高，但技术射速为600 rds / min。 实际上，射击是连拍或单发进行的，总计约50发/分钟。


让我们回到真实的喷气发动机上，在喷气发动机中，通常以高超声速排出的气体通量代替子弹。 化学喷气发动机是最常见的发动机，但不是唯一的发动机。

在这篇文章的引言中，我想谈一谈离子喷射引擎（以下简称IRD）。 IRD使用带电粒子-离子作为工作介质。 离子具有质量，如果它们通过电场分散，则可能产生反作用力。 理论上都是如此，现在更多。 IRD具有一定量的气体，该气体通过气体放电被电离（即，中性电荷的气体原子分解为负电子和正离子）。 然后，使用特殊的栅格系统，通过电场将离子加速，并且同一栅格系统会阻止电子的移动。 在正离子从喷嘴逸出后，它们被负电子中和（由于这种复合，气体开始发光），因此离子不会被吸引回发动机，因此不会减小其推力。




离子喷射发动机的特定冲量达到50 km / s，是声速的150倍！ engines，此类发动机的推力约为0.2N。为什么会这样呢？ 实际上，特定的冲动非常大。 事实是离子的质量很小，质量流率很小。 如果它们什么也没做，为什么又需要这样的引擎呢？ 它们可能无法到达地球，但是在没有阻力的太空中，它们非常有效。 有一个完全冲动的东西-时间推力的乘积或燃料质量的比冲的乘积，对于IRD来说这是很大的。

我们解决以下问题。 让液体推进火箭发动机的比冲为5 km / s，而我们的IRD将为50 km / s。 假设两台发动机的工作流体质量（以LRE等于燃料质量）为50 kg。 我们将航天器的质量等于100千克。
使用Tsiolkovsky公式，我们可以找到设备的最终速度（即工作质量在其中结束时）。



如果离子和化学喷射发动机的燃料质量相同，会发生什么，那么IRD将能够比化学RD加快航天器的速度。 没错，在IRD上，航天器将比在LRE上加速更长的速度。 但是，当旅行到遥远的行星时，较高的最终（加速）速度将弥补这一缺点。


我们时代都使用IRD。 例如，“深空1号”装置靠近小行星盲文和“博雷利彗星”，并向地球传输了大量有价值的科学数据和图像。


太空1

另外，目前处于设计阶段的LISA空间天线将使用IRD校正其轨道。


激光干涉仪太空天线

最后，让我们确定IRD推力，知道离子的质量M = 6.5∙10 ^ -26 kg ，加速电压U = 50 kV ，中和电流I = 0.5 A ，基本电荷e = 1.6∙10 ^- 16厘升



电压是电荷转移的功，即 在喷嘴出口处，离子的动能等于电压和离子电荷的乘积。 用动能表示速度（比冲）。 我们从电流的定义中找到质量流，电流是及时通过的电荷。 事实证明，质量流量是离子和电流的质量除以离子电荷的乘积。 将比冲和质量流率相乘，得出的推力等于0.1N。



总而言之，我想说的是，等离子体喷射发动机具有类似的装置，但是其工作流体的质量流量要大得多。 谁知道，也许明天人类将乘坐这种发动机飞往火星和月球。