ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
Создание и популяризация ионного двигателя
Пермь 2025
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………….…......3
1 Изучение теории ионного двигателя……………………………......4
1.1 История создания ионного двигателя……………………….......4
1.2 Принцип работы ионного двигателя.............................................5
1.2.1 Как работает ионный двигатель…………………….............5
1.2.2 Плюсы и минусы ионного двигателя……………………....6
1.3 Применение ионных двигателей на современном этапе............7
2 Практическая часть..............................................................................10
2.1 Создание и напечатание 3D модели деталей для ионного двигателя................................................................................................11
2.2 Сборка ионного двигателя............................................................12
2.3 Эксперименты с двигателем.........................................................14
Заключение............................................................................................15
Список использованных источников..................................................15
Приложение...........................................................................................16
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность:этой темой надо заниматься именно сейчас, потому что люди, которые хотят узнать про двигатель не могут найти информацию о нём и его можно брать как пример для физических явлений. Наша тема может быть интересна людям, которые занимаются развитием двигателестроением и изучением космоса, а также школьникам, что бы их заинтересовать в физике. При реализации этого проекта мы планируем узнать принципы работы ионного двигателя, преимущества и его недостатки, а так же современные применения. Мы взяли эту тему, потому что мы хотим узнать, что то новое для себя.
Цель: спроектировать и написать статью по ионному двигателю
Задачи:
- Изучить теорию ионного двигателя.
- Создать 3D модель.
- Создать реальную модель и провести испытания.
- Написать статью.
Объектом этого проекта считается ионный двигатель.
Предметом этого проекта является процесс ионизации газа как причина, вызывающая реактивное движение.
Гипотеза: применение ионных двигателей откроет новые перспективы развития двигателестроения.
Методы исследования: библиографический, анализ литературы, аналогия, дедукция, абстрагирование.
Практическая значимость нашего проекта заключается в создании информационного ресурса, который подробно расскажет о них и их использовании в аспекте двигателестроение. Это позволит людям в области двигательных технологий лучше понять способы работа ионных двигателей и их преимущества. А также можно заинтересовать новое поколение людей к физике.
1 Изучение теории ионного двигателя
- История создания ионного двигателя
Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством американского ученого Роберта Годдарда, который в 1917 провел первый эксперимент с ионным двигателем в Университете Кларка.
В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей.
Первый работающий ионный двигатель был построен в 1959 году инженером НАСА Горальдом Кауфманом.
Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1).
Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.
Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.
1.2Принцип работы ионного двигателя
1.2.1Как работает ионный двигатель
Исследователи постоянно ищут возможности для создания ракетных двигателей нового поколения, в результате пришли к идее создания электрического ионного двигателя. Так называется тип ракетного двигателя, который создает реактивную тягу из ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Принцип работы ионного двигателя основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.
Процесс происходит так: в газоразрядную камеру (ГРК) на основе разряда постоянного тока подаётся топливо ионизированный инертный газ(аргон, ксенон и т. п.), которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется.
Ионизация атомов рабочего тела осуществляется за счёт столкновения атомов с электронами, которые эмитируются катодом и набирают энергию в постоянном электрическом поле.
Для извлечения ионов из плазмы ГРК и формирования и ускорения ионного пучка используется ионно-оптическая система (ИОС). Она состоит из эмиссионного и ускоряющего электродов. На эмиссионный электрод подаётся положительный потенциал в несколько киловольт, который определяет энергию ионов пучка.
На ускоряющий электрод подаётся отрицательный потенциал в несколько сотен вольт, необходимый для отсечки электронов из пучковой плазмы.
Ионы создают тягу, двигаясь из плазмы ГРК сквозь отверстия эмиссионного и ускоряющего электрода и ускоряясь в электрическом поле, приложенном в зазоре между ними.
Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а также, чтобы ионы не притягивались обратно к кораблю.
1.2.2Плюсы и минусы ионного двигателя
При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с, по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет.
В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.
Ионные двигатели представляют собой экологичную альтернативу традиционным ракетным двигателям, работающим на химическом топливе.
Они используют молекулы воздуха из атмосферы, ионизируют их и выбрасывают из сопла, создавая тягу. Никаких запасов газа не требуется, поэтому аппарат может работать без дозаправки, питаясь от солнечных батарей на орбите любой планеты, имеющей атмосферу.
Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.
1.3 Применение ионных двигателей на современном этапе
Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий-автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR.
Они установлены в нижней части аппарата. Принцип их работы состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива.
Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в 10 раз выше, чем современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту солнечных батарей и уровня подачи топлива.
Для полета Dawn необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля-Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста-Церера-110 кг.
Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости: 5 июня 2016 года, спустя 9 лет после запуска, станция Dawn разогналась до 39900 км/ч (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn в связи с полной выработкой топлива ионными двигателями.
Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, является японская исследовательская станция "Хаябус-2" по изучению астероида Рюгу. Зонд, на котором установлены 4 ионных двигателя, может менять направление полета за счет этих двигателей. Рабочим телом данных двигателей является ксенон массой 73 кг, который хранится в 51-литровом топливном баке.
И ещё одним примером является то что Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.
В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года.
В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов.
Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.
2 Практическая часть
2.1 Создание и напечатание 3D модели деталей для ионного двигателя
Мы сделали 3D модели незакрытого параллелепипеда (рис. 2), трубу, конусообразное (рис. 1) сопло и подставки, в open-source программе Blender.
Рис. 1
рис. 2
Потом мы распечатали данные модели на 3D принтере flying bear ghost 6. (рис. 3)
рис. 3
Данный процесс включая моделирование, печать в общем занял ~5 дней.
2.2 Сборка ионного двигателя
Первым этапом сборки являлось создание медной сетки в моделях квадратов и окружностей (рис. 4)
рис. 4
Далее, мы собрали высоковольтный генератор (рис.5) ниже схема его работы. (схема 1)
рис 5
Схема 1
То есть, минус отходящий от аккумулятора подведен к умножителю, а плюс сначала в переключатель, затем в кнопку, и уже после в умножитель (переключатель необходим как предохранитель, ведь умножитель выдает огромное напряжение и в случае если бы не было предохранителя могли произойти инциденты связанные с случайным нажатием кнопки)
2.3 Эксперименты с двигателем
Первый эксперимент заключался в том чтобы узнать, что дает большую тягу и сильнее ветер. Мы попробовали три варианта сочетания форм: круг +круг, квадрат +квадрат, круг +квадрат. В ходе этого эксперимента визуально мы заметили, что сочетание квадрата и круга было самым мощным (проверено было с помощью дыма).
Второй эксперимент был изучением того насколько сильно на мощь двигателя повлияет надетое сопло, что будет концентрировать весь выдуваемый воздух в одну точку. В ходе данного эксперимента мы не просто визуально увидели то что двигатель стал сильнее, теперь он смог задуть даже свечку и на анемометре можно даже засечь что дует данный двигатель со скоростью 0.37 метров в секунду, что очень хорошо ведь ранее ионный двигатель не мог выдать вообще никаких значений на анемометр (рис. 6)
рис. 6
Заключение
В ходе работы изучили устройство и принцип работы ионного двигателя, установили, что тяга зависит от напряжения и может быть увеличена при улучшении конструкции двигателя. Создали действующую модель ионного двигателя, которая может использоваться для демонстрации явлений ионизации воздуха, коронного разряда, реактивного движения и формирования интереса к изучению физики.
Использованные источники
1)school-science.ru
2)iz.ru
3)technopolis.spbstu.ru
Приложение