Электрореактивные двигатели

[Salo]

http://engine.aviaport.ru/issues/108/pics/pg30.pdf

С другой стороны, уже не один десяток лет разрабатывается тема электроракетных двигателей различного класса: ионно-плазменных, на ячейках Холла и иных конструкций. Эти двигатели работают в условиях вакуума, для внеатмосферных летательных аппаратов и в качестве рабочего тела используют ускоряемую плазму из газов различного рода (обычно - инертных, например - ксенона), запас которых хранится на борту [9]. Двигатели этого типа, при мощности в десятки киловатт, обеспечивают удельные импульсы тяги в тысячи и десятки тысяч секунд (за счёт крайне высокой скорости рабочего тела, разгоняемого магнитным полем. Время огневой работы таких двигателей - тысячи и десятки тысяч часов при многократном включении. При всём том, для использовании в атмосферных летательных аппаратов они не пригодны, вследствии того, что воздух, как смесь разных газов, да ещё и водяных паров попросту гарантирует пробой системы высокого напряжения движителя.
В монографии института им. Курчатова [9], представлено исследование ионных двигателей в условиях вакуума (как и все прочие исследования этой группы двигателей). Для повышения в таких двигателях проницаемости для рабочего тела ("прозрачности" ) плазменного электрода на большую величину, чем 60-70 % (как у обычно
применяемых), можно использовать в них ускоряющие системы со щелевыми аппертурами. В таких системах электроды представляют собой пластины с прорезанными в них длинными тонкими щелями.
Двигатель ЭРД-50, разработанный в Центре Келдыша, предназначен для марсианского экспедиционного комплекса. Единичный модуль должен иметь мощность 30 кВт, обеспечивать удельный импульс тяги 7000 с и время огневой работы не менее 15000 ч. При этом суммарная мощность ЭРДУ у поверхности планеты должна составлять 15 МВт. Каждый электрод состоит из 170 стержней, растягиваемых пружинами для сохранения геометрических параметров при нагреве системы. Для проверки правильности принятых решений, а также в целях отработки технологии изготовления щелевых ИОС и изучения особенностей работы, разработана и изготовлена лабораторная модель ионного двигателя ИД-180П.
 
Другим вариантом щелевой конструкции электродов является набор параллельных стержней или натянутых струн. Основой этих материалов в перспективе могут быть сетки из графитовых волокон. И конструкция ионного двигателя (например, ИОС-250 разработки института им. Курчатова) очень сильно похожа на ту "рамочку", что испытывали школьники из "Интеллектуала". И, может быть, стоит поискать вариант такой конструкции и для работы в атмосфере, на воздухе? Благо, что здесь рабочего тела предостаточно и с собой возить не надо. Другое дело, что очевидного решения поставленных здесь вопросов не находится, и в первую очередь, именно потому, что в таком разрезе эту проблему пока всерьёз не рассматривали. Возможно, это дело нашего будущего. И, может быть и не столь уж отдалённого.
Поживём - увидим...

[Salo]

https://www.iss-reshetnev.ru/media/newspaper/newspaper-2017/newspaper-421.pdf

ДЕЛО ПОШЛО!
Работы над новыми спутниками «Экспресс» вошли в активную стадию.
...
Одновременно на предприятии проводятся испытания ксенонового бака, который в рамках данного проекта впервые будет применён в составе спутников среднего класса.
Металлокомпозитный бак при уменьшенных размерах и массе (по сравнению с баком, использованным ранее на «Экспрессе-АМ6») сможет вместить под высоким давлением 300 кг ксенона при объёме в 200 литров. Такой объём ксенона обеспечит работу электрореактивных двигателей спутников на протяжении всего времени их пути с переходной орбиты на целевую. Это так называемая технология довыведения, которая опять же впервые будет применяться в ходе парного запуска космических аппаратов среднего класса.
Одновременный запуск спутников «Экспресс-80» и «Экспресс-103», создаваемых по заказу оператора «Космическая связь», запланирован на 2019 год.

[Chilik]

Salo пишет:
http://engine.aviaport.ru/issues/108/pics/pg30.pdf

... Для повышения в таких двигателях проницаемости для рабочего тела ("прозрачности" ) плазменного электрода на большую величину, чем 60-70 % (как у обычно и применяемых), можно использовать в них ускоряющие системы со щелевыми аппертурами. ...

ЕМНИП, эти 60-70% как раз у щелевых и получаются, у круглых обычно меньше раза в два. Но там другое - круглые гораздо более технологичны и сетка дырок типа гексагональной лучше переносит термомеханические напряжения. Сама по себе прозрачность - пофиг практически, она в таких системах мало на что влияет. Все равно ускорение на полную энергию идет только у извлеченного ионного тока, а сколько там ионов осталось в генераторе плазмы - неважно, все равно полностью их незачем пытаться извлечь.

[vlad7308]

Chilik пишет:
Сама по себе прозрачность - пофиг практически,

не
деградация анода (т.е. решетки) - главный бич ионников

[Алексей Любопытный]

Есть такое понятие как рекомбинация. Это воссоединение электрона с положительным ионом и превращение в обычный атом. У щелочных металлов время рекомбинации меньше чем у инертных газов, т. е. у инертных газов больше времени на разгон плазмы до её самонейтрализации путём рекомбинации. 

Есть одна идея. Года три назад, когда я сюда пришёл, я задал вопрос, можно ли создать генератор и двигатель в одном? Меня тогда спросили как это сделать и я не смог ответить. 

В голове постоянно маячит мысль о том, что положительно заряженные ионы чем-то похожи на электроны. Разница только в массе и знаке заряда. Заряд электрона равен заряду протона, а масса различается в 1836 раз. Низкая масса электрона позволяет ему свободно путешествовать в некоторых материалах, к которым например относят металлы. При движении в материале электроны теряют энергию, чем нагревают эти материалы. Этот процесс мы называем сопротивлением Ома. Если вытянутый материал согнуть, то электроны в нём должны будут совершить поворот, также с потерей энергии, которую мы наблюдаем как направленное магнитное поле описываемое правилом Лоренца. То есть металлические проводники позволяют нам выделить электроны в отдельный поток и направить в нужном направлении. 

А что с положительными ионами? Их тоже можно выделять в отдельные потоки и направлять в нужном направлении применяя магнитные поля. Но из-за большой массы протонов пускать их в веществе уже энергетически невыгодно. Необходим вакуум. 

Далее необходимо разделить плазму на облако отрицательных электронов и положительных ионов. Электроны можно поглотить с помощью анода и направить в проводнике в нужном направлении, а протоны направить по вакуумной трубе с удерживающим магнитным полем в другом нужном направлении. Разделение можно осуществить с помощью магнитного поля специальной формы, которое бы разделяло электроны и протоны при этом ускоряя протоны вдоль вакуумной трубы, а электроны относя к анодом. 

В принципе тут я как будто описал МГД генератор, но не совсем. В МГД генераторе также присутствует и катод излучающий электроны. Также катод присутствует и в ЭРД двигателях. 

И вот сама идея, почему бы не разнести анод с катодом на такое расстояние, чтобы рекомбинация происходила на выходе положительной ионной плазмы из магнитной трубы? То есть в начале трубы анод поглощающий электроны. Далее электроны следуют по металлическому проводнику создавая в нём электрический ток. Этим током мы можем генерировать разделяющее плазму магнитное поле, а также мы можем подключить второй контур и запитать от него бортовое оборудование космического аппарата. В конце своего пути электроны достигают катода находящегося в конце трубки. 

Таким образом: 
1. В трубке с положительными ионами между анодом и катодом должно образоваться электрическое поле ускоряющее ионы в направлении катода. 
2. На выходе из трубки, после катода, должна быть получена квазинейтральная плазма. Что является обязательным условием для функционирования ЭРД. 
3. Ток электронов направленный по отдельному потоку в металлическом проводнике позволяет получить магнитное поле разделяющее электроны и положительные ионы в области анода. 
4. Вполне возможно, что разделительное магнитное поле также позволит ускорять положительные ионы к выходу из трубки, если удастся создать такую форму магнитного поля. 

Я прекрасно понимаю, что такая система не будет работать, если её не подтолкнуть. Электроны сами в проводник через анод не пойдут, если в нём не будет создана разность потенциалов. Это означает, что толчком для запуска такой системы должен быть постоянный магнит. 

Термодинамическое функционирование данной системы напоминает мне поведение мячика, который стоит на вершине горы и если его подтолкнуть, то он покатится с горы. Силами препятствующими бесконечному ускорению мячика в данном случае будут являться - сопротивление металлического проводника, количество ионов с электронами в плазме, длина трубки. 

Такая система выглядит как МГД+МПДД+ионник Холла, три в одном. А функционирует такая система благодаря значительно меньшей массе электронов по сравнению с протонами. Хочу сразу заметить, что число электронов в металлическом проводнике будет больше чем число положительных ионов в трубке. Это к вопросу о скорости электрона в проводнике по сравнению со скоростью положительного иона в трубке.

[thunder26]

Zveruga пишет:
На выходе из трубки, после катода, должна быть получена квазинейтральная плазма. Что является обязательным условием для функционирования ЭРД.

Вы уж определитесь, у вас электроны либо рекомбинируют с ионами, либо движутся к аноду.

[Алексей Любопытный]

thunder26 пишет:

Zveruga пишет:
На выходе из трубки, после катода, должна быть получена квазинейтральная плазма. Что является обязательным условием для функционирования ЭРД.

Вы уж определитесь, у вас электроны либо рекомбинируют с ионами, либо движутся к аноду.

Электроны рекомбинируют с ионами в области катода и за катодом, но не в трубке, а вне её, так как ион по инерции летит на выход из трубки, а не внутрь неё.

К аноду ионы не летят, они летят от анода к катоду.

[thunder26]

Zveruga пишет:
Электроны рекомбинируют с ионами в области катода и за катодом

Значит электроны до анода не долетают

[Алексей Любопытный]

[Алексей Любопытный]

thunder26 пишет:

Zveruga пишет:
Электроны рекомбинируют с ионами в области катода и за катодом

Значит электроны до анода не долетают

И не надо. Так как их источник с другой стороны. Смотрите рисунок.

[Алексей Любопытный]

Ионы тяжёлые и они летят в трубке благодаря кинетической энергии.

А электроны лёгкие и они перемещаются в проводнике из-за разницы потенциалов, которая образуется в области катода.

[thunder26]

Zveruga пишет:
А электроны лёгкие и они перемещаются в проводнике из-за разницы потенциалов, которая образуется в области катода.

От чего будет образовываться разность потенциалов?

[Алексей Любопытный]

thunder26 пишет:

Zveruga пишет:
А электроны лёгкие и они перемещаются в проводнике из-за разницы потенциалов, которая образуется в области катода.

От чего будет образовываться разность потенциалов?

Ионы в области катода положительно заряжены.

Скажу проще. МГД генератор для меня самого является странной штукой в плане термодинамики, но он работает и даже даёт положительное КПД.

[Алексей Любопытный]

На рисунке изображён МГД генератор, просто анод и катод в нём разнесены в пространстве и расположены необычным образом. Нужно сделать так, чтобы ионы теряли как можно меньше кинетической энергии запасённой в генераторе плазмы. Это означает, что их направление движения нужно постараться не менять.

Разница в массе между электроном и ионом ксенона 239 000 раз! Именно эта разница должна позволять разделять электроны и ионы.

[thunder26]

Zveruga пишет:
Ионы в области катода положительно заряжены.

Повезло им. Положительные ионы вообще говоря не только в области катода положительно заряжены. Разность потенциалов то откуда?

[Юрий Темников]

Zveruga пишет:
Разница в массе между электроном и ионом ксенона 239 000 раз! Именно эта разница должна позволять разделять электроны и ионы.

Прааа-авильно  говоришь прааа-вильно.Только есть еще обьемный заряд в облаке ионов.который н уочень мешает их движению.Они начинают еще разбегаться к стенкам трубы .А там еще куча шустрых электрончиков ,которые притягиваются ионным облаком и нейтрализуют ее.Там все очень сложно.

[Алексей Любопытный]

Юрий Темников пишет:

Zveruga пишет:
Разница в массе между электроном и ионом ксенона 239 000 раз! Именно эта разница должна позволять разделять электроны и ионы.

Прааа-авильно говоришь прааа-вильно.Только есть еще обьемный заряд в облаке ионов.который н уочень мешает их движению.Они начинают еще разбегаться к стенкам трубы .А там еще куча шустрых электрончиков ,которые притягиваются ионным облаком и нейтрализуют ее.Там все очень сложно.

По этому в конфигурации магнитного поля лучше всех разберутся только специалисты из наших Курчатников. Я тут профан.

[Алексей Любопытный]

thunder26 пишет:

Zveruga пишет:
Ионы в области катода положительно заряжены.

Повезло им. Положительные ионы вообще говоря не только в области катода положительно заряжены. Разность потенциалов то откуда?

А где ещё они положительно заряжены? Тут схема такая же как и в типичном МГД. У анода электроны текут в анод. У катода вытекают из катода. Ионы же движутся к катоду, как им и положено. Всё как в МГД.

[thunder26]

Zveruga пишет:
У анода электроны текут в анод. У катода вытекают из катода.

Шикарно

[Алексей Любопытный]

Тут самое интересное это откуда МГД энергию берёт. Получается, что геометрия позволяет извлекать эту энергию. Можно провести аналогию, но не совсем прямую.

Можно представить русло реки, которое разбили на два потока. Первый поток, ионы, несётся с горы из-за гравитации. В этом потоке установлен генератор электроэнергии. Второй поток, электроны, течёт по трубам в гору, благодаря насосу работающему от генератора установленном на первом потоке. Вот только в реальности, если бы масса воды в первом и втором потоке была одинакова, тогда никакой полезной работы мы бы не получили.

Но в ситуации с электронами и ионами при одинаковом заряде у них поразительно разная масса. Это как бы и позволяет за счёт более тяжёлого потока тянуть второй, более лёгкий и при этом ещё и получать положительный КПД.