Что ограничивает тяговооруженность ионных двигателей? (помимо удельной мощности источника энергии)

Двигатели не особенно тяжелые, но мы имеем дело с большой мощностью в очень маленьком объеме. Большая мощность означает охлаждение. Газ, ускоренный до этих энергий, становится чрезвычайно коррозионной плазмой, лучше всего сдерживаемой магнитными полями, потому что в противном случае двигатель сгорит сам на себя. Итак, тяжелые электромагниты для направления метательного заряда. Электрические подсистемы работают с довольно большой мощностью при очень высоких напряжениях, так что опять же, они не очень легкие. Но в целом двигатели не намного тяжелее химических двигателей сопоставимой мощности. «Весовая» часть тяговооруженности так себе, ничего особенного.

Но теперь давайте посмотрим на тягу.

$E_k = {1 \over 2} m v^2 \ \ (1)$

$p = mv \ \ (2)$

Это уравнения кинетической энергии и количества движения.
Ионные двигатели нацелены на максимальную производительность; специфический импульс.$I_{sp}={ v_e\over g_0}$.
Чтобы достичь максимальной производительности, вы хотите максимизировать скорость выхлопных газов. У вас есть только определенное количество энергии для обработки, ваши солнечные батареи или другой источник энергии в качестве входных данных. Возьмем уравнение (1). Чтобы получить столько же производительности - столько же скорости истечения газа, при постоянной доступной энергии, вы должны уменьшить массу - в частности, взять меньше топлива, применить ту же электрическую энергию, сжимая ее в меньшее количество топлива, достичь более высокого ускорения. топлива, более высокая скорость истечения. И все же вы получаете только$v = \sqrt{2E_k \over m}$- квадратичный рост скорости как с увеличением энергии/мощности, так и с уменьшением массы; убывающая отдача, хотя оно того стоит. Другими словами, двигателю, производительность которого в два раза выше, чем у другого, потребуется либо в 4 раза больше мощности, либо 1/4 расхода топлива, количества топлива, используемого в единицу времени, а двигатель, его источники энергии, конструкция не не становится легче в процессе улучшения производительности.

А теперь давайте посмотрим, как это влияет на тягу. Движение ракеты основано на законе сохранения импульса. Существует множество причудливых уравнений, описывающих это в терминах дифференциального времени, изменения массы во времени и т. д., но все они сводятся к простейшему подходу: импульс из уравнения (2) сохраняется:$v_{rocket} m_{rocket} = v_{exhaust} m_{exhaust}$.

Что мы только что сделали, чтобы получить максимальную производительность от нашего двигателя? Мы сократили$m_{exhaust}$линейно, увеличивать$v_{exhaust}$в пропорции квадратного корня. Чем выше производительность, тем ниже правый член приведенного выше уравнения.$m_{rocket}$не улучшилось, наш двигатель так же тяжел, как и менее эффективен. Следовательно$v_{rocket}$страдает. За единицу времени наша ракета набирает меньшую скорость, поэтому она меньше разгонялась - мы потеряли тягу.

А это то, что при заданной доступной мощности двигателя увеличение производительности в раз$\sqrt{n}$вы уменьшаете массовый расход выхлопных газов в раз$n$, неизбежно приводит к потере тяги (и отсутствию экономии веса), поэтому чем лучше характеристики двигателя при заданной мощности, тем худшего TWR следует ожидать.

Ионные двигатели нуждаются в источнике энергии. И источники энергии могут быть массивными.

Это было основным возражением против утверждения Франклина Чанга Диаса о том, что VASIMR может добраться до Марса за 39 дней. Он предположил, что альфа составляет 0,5 кг/кВт. Что нереально при современном уровне техники. Так как же будет выглядеть источник питания, который вырабатывает киловатт электроэнергии на полкилограмма? Я попытался это проиллюстрировать. Снимок экрана из моего The Need For A Better Alpha

Доминик – 60-килограммовая девушка. Если бы у нее была такая альфа, она могла бы выполнять работу двигателя «Форд Фокус» вместе с бензином и кислородом.

Я считаю, что у тонкопленочных фотоэлектрических батарей есть потенциал для хорошей альфы. Если мы сможем получить солнечные батареи мощностью 250 ватт на килограмм, я считаю, что ускорение 1 мм/сек^2 вполне выполнимо.

Есть две вещи, которые ограничивают практически все электрические ракеты. Один - блок питания. Электрическая ракета хороша настолько, насколько хорош ее источник питания. Будь то солнечная или ядерная энергия, во многих конструкциях вес выработки энергии настолько велик, что узурпирует преимущество потребности в небольшом количестве топлива. Как вы отметили, растущая производительность и легкий вес солнечных элементов обнадеживают.

Другим большим ограничением является плотность потока выхлопных газов. Поскольку они очень горячие, они, естественно, имеют малую массу и большой объем. Таким образом, проблема заключается в том, как сжать поток выхлопных газов, чтобы получить большую тягу.

Я не знаю, что вес самого двигателя является большой проблемой. Как вы указали, конструкция с магнитными катушками (например, VASMIR) тяжелее, но катушки позволяют сжимать поток выхлопных газов, делая его более плотным, поэтому, возможно, это компенсирует нагрузку веса.

Я согласен с другими комментариями относительно того, что тонкопленочные фотогальваники являются хорошим источником энергии. Я построил ионный двигатель, запатентованный для подъема источника питания против земной гравитации. Обычный ксеноновый ионный двигатель или «ионный подъемник» не может поднять свой источник питания, потому что отношение тяги к весу или массе слишком низкое. Например, в ксеноновом двигателе электрическая энергия используется для выбивания электронов из атомов ксенона, что требует значительной мощности и создает потери мощности, особенно если учесть дополнительные потери в электрической системе и тепло, выделяемое в выхлопных газах. Эти двигатели также имеют проблемы с эрозией и, как правило, должны работать в течение длительного периода времени, чтобы добиться значительного эффекта. «Ионоподъемники»,
Транспортное средство с ионным двигателем или автономный «самолет» с ионным двигателем просто добавляет электроны к небольшому проценту либо окружающих молекул O2, либо к O2 или SF6, поставляемым дополнительными бортовыми топливными баками. O2 имеет сильное сродство к получению дополнительных электронов и поэтому не требует такой же энергии ионизации, он просто поглощает электроны, произведенные источником питания. В то время как напряжение источника питания намного выше, чем в ксеноновом двигателе, ток и мощность намного ниже, поэтому удалось значительно уменьшить массу источника питания. Эрозия на поверхностях коллектора сведена к минимуму, потому что он работает по другому принципу с очень небольшой требуемой мощностью.