Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 85
Текст из файла (страница 85)
В настоящее время плазменные струи используются для исследования высокотемпературных свойств веществ и, вероятно, будут найдены другие области их применения, помимо источника движения. Предельный интервал величин удельной тяги 500 †25 сек. 1е перспективные источники дВижения Таблица 72.8 плазмы [31 10 9 128 8 . 1О-з 10 — 5 104 1,7 40 8 105 Типичные параметры злектромагннтного ускорителя Вес, кг Подводимая мощность, кег Удельная тяга, кг(кот Весовой секундный расход рабочего тела, кг/сек Частота импульсов, сек ' Тяга одной плазмоидной пушки, кг Расчетный к.
п. д., ей Отношение тяги к весу (при удельном весе силовой установки !О кг(квт) Скорость,м(сек Удельная тяга, сек 105 105 12.6. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЛ (ИОННЫР() ДВИГАТЕЛЬ Электростатический двигатель — простой пример электрического двигателя. Частицы ионизуются, положительные ионы и электроны ускоряются в электростатическом поле, затем они рекомбинируют и вытекают с очень большой скоростью. Электростатический двигатель состоит из трех основных частей. Эмнттер ионизует частицы и отделяет положительные ионы от электронов. Ускоритель обеспечивает высокие скорости исте- дуги, как в обычных электротермических двигателях, но не отделяются друг от друга.
В целом нейтральная плазма разгоняется при низких давлениях электромагнитным полем. Несколько типов ускорителей подробно описаны Гхаем 16]. Применяются следующие типы ускорителей: плазмоидные пушки (ионизация электродугой, импульсный режим работы), ускорители с бегущей волной (индукционный способ ионизации, непрерывный режим работы), плазменные насосы (индукционный способ ионизации, непрерывный режим работы), трубки Колба (ионизация электродугой, импульсный режим работы) и ускоритель с нестационарным магнитным полем (индукционный способ ионизацин, импульсный режим работы).
Подробное описание этих ускорителей выходит за рамки данной книги. Достаточно сказать, что характеристики этих типов двигателей являются промежуточными между характеристиками электротермических двигателей, в которых ускорение плазмы происходит за счет тепловой энергии, и электростатических двигателей, в которых ускорение ионов обусловлено электрической энергией. Двигатели с электромагнитным ускорителем плазмы обеспечивают удельную тягу до 10000 сек. Типичные параметры двигателя с электромагнитным ускорителем плазмы типа плазмоидной пушки приведены в табл. 12.8. 1а перспектиВные источники дВижения 448 чения. Нейтрализатор пучка осуществляет рекомбинацию ионов и электронов, чтобы предотвратить образование на космическом корабле пространственного заряда, который вызывает ухудшение характеристик.
Схема электростатического двигателя показана на фиг. 12.3. Эмиттер должен генерировать ионы и электроны и преобразовывать энергию с минимальными потерями. По-видимому, следует использовать тот факт, что некоторые щелочные металлы имеют меньшие ионизационные потенциалы, чем работа выхода электронов некоторых металлов. Следовательно, при контакте Ф и г. 12.3. Схема электростатического двигателя. произойдет ионизация. В табл. !2.9 приведены некоторые свойства щелочных металлов, а в табл. 12.10 — работы выхода элеи- тронов и температуры плавления некоторых металлов.
Этот метод ионизации известен как ионизация за счет контактной разности потенциалов. Механизм ионизации заключается в адсорбции нейтрального атома на поверхности металла с большой работой выхода, захвате внешнего наиболее удаленного от ядра электрона и освобождении ионизованного атома. Преимущество этого метода ионизации заключается в большом сроке службы источника. Наиболее вероятное рабочее тело — цезий, который имеет наименьший потенциал ионизации и наибольший атомный вес. Последнее является преимуществом с точки зрения увеличения тяги. Могут быть также использованы рубидий и калий, последний — из-за его широкой распространенности. Требованиям ту- 449 !Х ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Таблица 12.9 Свойства щелочных металлов Первый патенпнал ионизапии, аа Температура плавления, 'С Температура кипения, 'С Атомный Плотность, аусм' Металл вес 132,9 85,4 39,1 23,0 6,9 11еаий Рубидий Калий Натрий Литий 3,89 4,18 4,34 5,14 5,39 28,5 38,5 62,3 97,5 186 670 700 760 880 1336 1,87 1,53 0,83 0,93 0,53 Таблица 12.10 Свойства металлов с большой работой выхода электронов Работа выкала электрона, ае Температура плавлении, 'С Металл гоплавкости и дешевизны для создания поверхности с высокой работой выхода электронов обычно удовлетворяет вольфрам, а не платина.
В ускорителе ионы должны быть быстро оттянуты во избежание образования значительного пространственного заряда вблизи эмиттера. При напряжении, меньшем критического, ток эмиттера лимитируется пространственным зарядом; при напряжении, большем критического, ток эмиттера лимитируется эмиссией. Кинетическая энергия частицы с массой т и зарядом б) после прохождения разности потенциалов 17 равна глод 2 !12.9) 29 Заказ на аш Платина Иридий Рений Никель Палладий Родий Углерод Вольфрам 5,32 5,30 5,10 5,03 4,98 4,80 4,60 4,52 1773 2454 3167 1455 1555 1985 3550 3370 13.
пегтспективные источниКи движенг!я По определению плотность тока равна У =рр, (12.10) где х — расстояние и индекс 0 относится к диэлектрической постоянной вакуума. Кроме того, А т= кой1о (12.12) где А — атомный вес и л1в — число Авогадро. Решая уравнения (12.9) — (12.11) при граничных условиях иа эмиттере „„=О, Ь'= — О, (12.13) получим уравнение Чайлдса '1 где А, — п.лощадь поверхности эмиттера, г( — расстояние разделения, 1, — ток ионного пучка. Следовательно, плотность тока имеет предельную величину, зависящую от градиента напряжения Е».
Для обеспечения компактности или для получения большей тяги на единицу площади эмиттера желательны большие величины плотности тока. Достижение высоких градиентов напряжения ограничено напряжением пробоя, но можно ожидать, что будет достигнута величина -15 000 в/см. Для достижения удельной тяги до 10' сек достаточно одного ускоряющего электрода.
Эта величина удельной тяги является верхним пределом при практических применениях. В некоторых случаях используются несколько ускоряющих электродов. Для уменьшения захвата ионов ускоряющими электродами требуется фокусировка. Нейтрализация пучка ионов должна происходить как можно быстрее, чтобы избежать торможения ионов. Эта наиболее критическая проблема для электростатического двигателя еще не разрешена удовлетворительным образом. н Чайлдс Д ж., статья в сб. Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели, Атомиздат, М., !961, стр, бо. — Прим. дед.
где р,— плотность заряда. Уравнение Пуассона для одномерного поля имеет вид оз1' Ы (12. 11) ч51 !2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Расчеты параметров двигателя выполняются непосредственно. Уравнение тяги имеет вид го=то. (12.!б) Электрические параметры вводятся с помощью уравнений (12.16) 1сл уп =— дгочлдо (12.17) / 2лди .1/ йзлгуйуоУдо 1 (12.18) где Р— мощность пучка ионов и и — степень ионизапии.
Уравнение (12 !6) выражает мощность ионного пучка без учета потока электронов. Уравнение (!2.17) определяет секундный массовый расход ионов, необходимый для получения силы тока ионного пучка, равной 1,. Уравнение (!2.18) является уравнением ба.таиса кинетической энергии иона и энергии передвижения иона в электростатическом поле и следует из уравнения (12.9). Из уравнений (!2.!6), (12.!7) и (12.18) получим уравнение тяги уо 7 1 г' 21г.4 лгулгоко (12.19) (12.205 Таблица 12.11 Ч Включав все полезной нагрузки, баков дли хранении рабочего зсла в других элементов конструкции (4100 кгь Удельная тяга Р, равна ,-, о 3 уг 2лдгэ'оЪ' Г--, =— ко к"ол Типичные параметры электростатического Рабочее тело Расход рабочего тела, не[чае Проектный ресурс, час Вес двигательной установки, кг Вес системы энергопитания, кг Напряжение, в Ионный ток в пучке, а дтошность ионного пучка, квт Потребляе и а я моши о сть, квт Тяга, кг Отношение тяги к весу " К.В.д., % Удельная тяга, сек двигателя [31 Цезий 0,6 10 000 500 5 000 6 000 121 730 1 000 1,6 1,7.10 4 73 9 600 1Е ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ 452 Из уравнений (12.14) и (12.!9) определяется тяга, приходящаяся на единицу площади эмиттерз Р 8ЕОТ 3 86ОЕ,' (1 2.21) А, аз 9 В настоящее время несколько фирм успешно ведут разработки электростатических двигателей.
В табл. 12.11 представлены типичные параметры электростатического двигателя, ожидаемые в ближайшее время. Практический интервал величин отношения тяги к весу заключен между !О ' и 10 ', а интервал величин удельной тяги — между 5000 — 25 000 сек. 12.?. РЕАКТИВНАЯ СИЛА, СОЗДАВАЕМАЯ ДВИЖЕНИЕМ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ В процессе ядерных реакций частицы излучаются с очень большими скоростями. Например, альфа-частица с энергией 1 Мэв имеет скорость 7.10' м/сек, которой соответствует удельная тяга 700000 сек, если частицы фокусируются или поглощаются в определенном направлении таким образом, что создается тяга.
До сих пор не удалось осуществить этот метод получения реактивной силы. Кроме того, вызывает сомнения возможность достижения высоких характеристик из-за чрезвычайно малых величин отношения тяги к весу. 12.8. ФОТОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Описанные ранее системы пригодны для полетов в пределах солнечной системы, но не для полетов к другим звездам, поскольку такие полеты будут иметь продолжительность в несколько человеческих жизней. Преимуществом фотонного двигателя является чрезвычайно большая удельная тяга, благодаря чему становятся возможными межзвездные путешествия. Из совместного рассмотрения уравнения Планка (12.22) с уравнением эквивалентности массы и энергии Эйнштейна (12. 23) получим выражение для количества движения фотона йз р=--тс= —— (12.24) ЕС ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ При испускании фотонов из ракеты перенос энергии (массы) определяется вектором Пойнтинга и (12.25) Б=Е ХН.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
