Наука

Іонний двигун: принцип роботи, пояснюю на пальцях

Один з екзотичних варіантів двигунів для космічних кораблів є іонний ракетний двигун. Головна принципова відмінність іонних ракетних двигунів від звичайних полягає в тому, що це – двигуни електричні. Якщо зі звичайних ракетних двигунів гази витікають назовні, тому що всередині них створюється тиск більше, ніж у навколишній атмосфері, то в іонних двигунах такого підвищеного тиску немає.

Добре відомо з курсу фізики, що однаково заряджені електричні частинки відштовхуються один від одного, а протилежно заряджені притягуються. Це – так звані електростатичні, або кулоновы сили. Вони відіграють велику роль у техніці.

Зокрема, наприклад, на використанні цих сил засновані деякі види «ядерної артилерії», з допомогою якої вчені бомбардують атомні ядра і діють усередині ядра сили. Електричні сили впливають в цьому випадку на частинки, що мають електричний заряд, наприклад, негативно заряджені електрони чи позитивно заряджені протони (ядра атомів водню) або альфа-частинки (ядра атомів гелію). У результаті такого впливу частинки розганяються до величезних швидкостей, іноді близьких до максимально можливої в природі – швидкості світла у вакуумі.

Таким чином, ці частинки і перетворюються в зручні «снаряди» для атомного бомбардування.Думка використовувати електричні сили для реактивних двигунів тому власне і прийшла в голову вченим в кінці 50-х, початку 60-х рр. минулого століття, що з їх допомогою легко досягти великих швидкостей витікання, абсолютно не досяжних в звичайних двигунах внутрішнього згоряння.

Питання в тому, як використовувати електричні сили для прискорення молекул газів, що випливають з двигунів через сопло оскільки ці молекули мають заряду і є нейтральними, а на такі частинки електричні сили практично не діють.

Для їх активації» необхідно надати часткам електричний заряд, тобто провести іонізацію, власне тому заряджені молекули і називаються іонами і з цієї ж причини один з верхніх шарів атмосфери називається іоносферою.

Щоб іонізувати молекулу, достатньо, наприклад, відірвати від неї один з електродів з її електронної оболонки. Тоді молекула виявиться зарядженої позитивно. Особливо просто це зробити в тому випадку, якщо один з електронів в електронній оболонці слабо пов’язаний з ядром, як це буває зазвичай у молекулах металів.

Можна двічі, тричі і т. д. іонізувати молекулу, позбавляючи її електронну оболонку двох, трьох і т.

д. електронів.Тому, обов’язковим елементом іонного двигуна є так звана іонізаційна камера, в якій з нейтральних молекул народжуються іони.

Для цього досить, наприклад, пропускати молекули через розпечену металеву сітку; слабо зв’язані з ядром електрони не витримують збільшуються із-за нагріву коливань і відриваються від молекул.Принципова схема іонного двигуна.Принципова схема іонного двигуна.

Решта вже просто: раз є іони, то їх неважко розігнати до великих швидкостей за допомогою електростатичних сил. Можна скористатися, зокрема, яким-небудь прискорювачем, начебто застосовуються в лабораторіях ядерної фізики, хоча тут потрібні незрівнянно менші швидкості. А можна просто пропустити іони через конденсатор, пластини якого несуть протилежний заряд.

Якщо зробити такі пластини у вигляді сіток або встановити їх під кутом один до одного, то конденсатор буде випускати потік заряджених частинок великій швидкості. Щоб сам двигун при цьому не заряджався електрикою протилежного знака, відірвані від молекул електрони теж треба викидати назовні за допомогою такого пристрою.Теорія і досвід показують, що в іонному двигуні неважко досягти швидкостей витікання в 100 і більше кілометрів в секунду.

Це в десятки і сотні разів більше, ніж у звичайних «хімічних» реактивних двигунах. Відповідно, у такого двигуна більше і тяга, що розвивається кожним кілограмом випливають часток (ними можуть бути, наприклад, іони металів цезію або рубідію).Не дивлячись на всю уявну красу і простоту, перш за все виникає питання про джерело електричного струму, необхідного для такого двигуна.

Не встановлювати на космічному кораблі величезну електростанцію? Як варіант, можна використовувати атомний двигун, особливо з безпосереднім перетворенням енергії в електричну, то такого двигуна теж ще немає і найближчим часом не передбачається (будемо реалістами). Більш того, як показують деякі розрахунки, такий іонний двигун здатний розвивати лише порівняно невелику тягу, т. к.

кількість випливають з нього частинок при практично здійсненною потужності може бути відносно малим.Тим не менш, для космічних кораблів, що здійснюють польоти в космічному просторі він може виявитися дуже вигідним, хоча не виключено його застосування у комбінації з іншими двигунами і в сверхвысотной авіації, а що там буде, покаже час. Розмов про іонному двигуні вже понад півстоліття, а віз і нині там.
Ставте лайк та підписуйтесь на канал «Прогулянки у стратосфері».

Related posts

Leave a Comment