Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 88
Текст из файла (страница 88)
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. Тяга фотонного двигателя равна скорости изменения по времени количества движения и, следовательно, ггр й йч 1 йЕ ие ггт с с се = — =3,36 10 т кг/гсвт. с (12.26) Ф и г. !2.4. Схема фотонного двигателя.
! — термоядерное горючее; р — окно для фотонов; а — насос. Удельная тяга, отнесенная к расходу фотонов, равна Р, . — — — — 3,06 1О' сегс. (12.27) Р Р ст с йо Удельная тяга двигателя типа солнечного паруса, использующего внешнюю силу светового давления лучей солнца или другого источника света, равна бесконечности, так как масса не расходуется.
Частота световых волн не оказывает влияния на абсолютную удельную тягу. Фотонные двигатели пока еще не созданы, хотя известны некоторые предварительные опыты по осуществлению солнечных парусов, источником движения которых является световое " В отечественной литературе называется вектором Умова — Пойнтинга.— Прим. дерев. 454 ке пегспективные источники движения давление от внешнего источника энергии. Величины отношения тяги к весу очень малы, порядка 10-' и !О ', но удельная тяга чрезвычайно велика. Схема фотонного двигателя приведена на фиг.
12.4. 12.9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ На современном уровне знаний невозможно использовать силовые поля в космосе в качестве источника движения в произвольном направлении. Насколько известно, не существует ни непосредственного взаимодействия между магнитным и гравитационным полями, ни, по-видимому, электростатических полей. Концепция антигравитации до сих пор не доказана и не опровергнута. Однако в дальнейшем может оказаться возможным использование таких полей. Так как в этом случае используются внешние силы, удельная тяга таких двигателей будет равна бесконечности, но величины отношения тяги к весу, по-видимому„ будут очень малы. Прогресс в области световых двигателей, гиперкосмических двигателей и других источников движения, лежащих вне пределов нашего восприятия, менее вероятен, чем прогресс в области технологии, если вообще возможен. !2.!О.
КРАТКИЙ ОБЗОР ДВИГАТЕЛЕЙ В заключение в табл. 12.!2 приведены рассмотренные типы ракетных двигателей. Практически удельная тяга тепловых ракетных двигателей имеет верхний предел 1000 сек (выше этого значения удельная тяга гибридных электротермических двигателей с плазменной струей). Тепловые двигатели широко применяются или находятся на стадии развернутых испытаний элементов конструкций, за исключением двигателей, в которых используются топлива на основе свободных радикалов.
Последние, может быть, и не удастся реализовать из-за невозможности обеспечения высоких концентраций стабильных свободных радикалов. Доказана возможность создания электрических двигателей, и их прототипы находятся в стадии испытания. Удельные тяги этих двигателей больше тепловых, но величины отношения тяги к весу малы. Эти двигатели пригодны только для полетов в космосе, в то время как тепловые двигатели способны поднимать полезную нагрузку с поверхности земли.
У остальных двигателей ббльшая удельная тяга сочетается с меньшими величинами отношения тяги к весу. Возможность создания таких двигателей еще не доказана и, может быть, никогда не будет Ю ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Таблица 12,12 Типы ракетных двигателей Улельная тяга, ссс Современное состояние разработки Тнн лвнгателя Тепловые двигатели до 400 до 1000 до 1000 Используются Б стадии исследования Испытываются элементы конструкций Испытывается прототип Химические С топливом на основе свободных радикалов 5!дерные до 2500 Электротермические Электрические двигатели Двигатель с электромагнитным ускорителем плазмы Электростатический двигатель Двигатель с использованием ядерных частиц Фотонный двигатель Двигатель с использованием силовых полей 5 000 — 15 000 5 000 — 25 000 1об — 107 То же Гипотетическип 3 107 Бесконечно большая доказана.
Однако в настоящее время только фотонные двигатели, а также двигатели на основе использования силовых полей или других еще неизвестных явлений дают надежду, что человек будет способен совершать полеты за пределами солнечной СИСТЕМЫ. ЛИТЕРАТУРА 1. А! р е г)п М., 5 п11 о п О. Р., Абчапсед Ргорп!з!оп 5уз1ешз, Ыечс Уог1с, Регеатоп Ргезз, 1пс., !959.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
