Почему ионные двигатели так прожорливы?

Question

Почему ионные двигатели так прожорливы?

Космос
энергия
движение
ионный двигатель

Чандрахи

Ионные двигатели требуют много энергии. Но я не понимаю, почему. Итак, я понимаю одну вещь: для достижения высокой скорости выхлопа требуется много энергии (поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости), но мы получаем небольшой импульс. Это все здорово. Но необходимая энергия поступает из сетей. Заряд, присутствующий на этих сетках, не меняется (из-за ионной оптики), поэтому они могут бесконечно ускорять частицы, пока в ионизационной камере есть достаточное давление, чтобы позволить ионам войти в пространство сетки. Теперь для ионизации газа требуется энергия. Но когда я посчитал, это явно не в киловаттах.

Стенки камер заряжены положительно. Стенки действуют как анод и принимают электроны из плазмы. Итак, я задавался вопросом, может ли постоянная зарядка этих стен потреблять столько энергии. Затем я попытался рассчитать энергию, необходимую для этого, зная работу выхода металлов, и обнаружил, что для этого требуется менее 100 ватт энергии. Я почти уверен, что это неправильно , но я не понимаю, почему ионные двигатели так прожорливы.

Я говорю о том, для чего мы используем энергию и как она преобразуется в энергию ионного пучка. Как ионизация и т.д.; не как рассчитать необходимую энергию.

тупик

Не совсем ясно, касается ли ваш вопрос потерь или просто суммирования базовой мощности луча после того, как все потери сняты. Одним из способов взглянуть на это является Pe . эта = 0,5 мкм Ve^2. Где Pe — полная электрическая мощность, eta — потери, а правая часть — полезная мощность в пучке (mdot — массовый расход, Ve — скорость истечения). Ускорение от сетей должно обеспечивать правую сторону, и сочетание неэффективности приводит к эта. Возможно, энергия ионизации является основным компонентом эта. Не могли бы вы немного уточнить свой вопрос, имея в виду это?

джеймскф

Если бы заряд на сетке был единственным фактором, ионы ускорялись бы по мере приближения к сетке, а затем замедлялись бы на такую же величину, покидая ее. Это и есть экономия энергии :-)

НЗКшатрия

Примечание для OP, попробуйте использовать * на каждом конце строки, чтобы подчеркнуть ее. Иначе вы столкнетесь с тем, что кричите.

Джейсен

ионы движутся быстро, что требует много энергии:

E = 0.5 m v^{2}

$E=0.5 mv^2$ но импульс линейно зависит от скорости

p = m v

$p=mv$ ,

Ответы (6)

Почему ионные двигатели так прожорливы?

Не совсем ясно, касается ли ваш вопрос потерь или просто суммирования базовой мощности луча после того, как все потери сняты. Одним из способов взглянуть на это является Pe . эта = 0,5 мкм Ve^2. Где Pe — полная электрическая мощность, eta — потери, а правая часть — полезная мощность в пучке (mdot — массовый расход, Ve — скорость истечения). Ускорение от сетей должно обеспечивать правую сторону, и сочетание неэффективности приводит к эта. Возможно, энергия ионизации является основным компонентом эта. Не могли бы вы немного уточнить свой вопрос, имея в виду это?
Если бы заряд на сетке был единственным фактором, ионы ускорялись бы по мере приближения к сетке, а затем замедлялись бы на такую же величину, покидая ее. Это и есть экономия энергии :-)
Примечание для OP, попробуйте использовать * на каждом конце строки, чтобы подчеркнуть ее. Иначе вы столкнетесь с тем, что кричите.
ионы движутся быстро, что требует много энергии: $E=0.5 mv^2$ но импульс линейно зависит от скорости $p=mv$ ,

Марк Х · Answer 1

Что следует отметить в этом типе привода, так это то, что ионы сначала сталкиваются с положительно заряженной ускоряющей сеткой. Ионы, обеспечивающие тягу ракеты, также заряжены положительно, поэтому они будут отталкиваться и удерживаться внутри плазменной камеры. Единственным средством достижения ионами внутренней части ускоряющей сетки является диффузия, что означает, что ион уже должен иметь достаточную кинетическую энергию, чтобы приблизиться к положительной ускоряющей решетке и пересечь ее. Если у иона недостаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть положительную сетку, он отразится обратно в плазменную камеру и не будет способствовать ускорению ракеты.

Ионы в плазменной камере ведут себя как газ в том смысле, что они имеют широкий диапазон кинетических энергий. Только ионы с наивысшей энергией достигают ускоряющего поля между сетками. Есть два пути увеличения скорости попадания ионов в ускоряющее поле между сетками: повышение температуры плазмы и увеличение плотности. Первый способ увеличивает среднюю кинетическую энергию ионов, позволяя большему количеству из них пройти положительную сетку и достичь ускоряющего поля. Второй создает больше ионов, что с вероятностью приводит к более ускоренным ионам.

Таким образом, расход энергии связан с поддержанием плазмы горячей и достаточно плотной, чтобы достаточное количество ионов попало в ускоряющее поле с достаточно высокой скоростью для желаемой тяги. Это было бы верно даже в идеальной ракете без потерь на теплоотдачу стенкам камеры, потери заряда на сетке из-за поглощения ионов/электронов, потерь ионов из-за рекомбинации и т. д. Если бы не было подводимой мощности, плазма будет охлаждаться и истончаться, поскольку она теряет ионы с самой высокой энергией из-за выхлопа (испарительное охлаждение). В конце концов, в плазменной камере не останется ничего, кроме низкоэнергетических ионов, содержащихся в стенках и положительно заряженной сетке, которые не смогут покинуть ее.

Но как в ионном двигателе нагревается плазма? Таким образом, энергия расходуется на поддержание давления. Но как он держит давление?
@Chandrahas Плазма нагревается за счет удара электронов, ускоренных полым катодом. Электроны воздействуют на атомы топлива, ионизируя их и нагревая. Давление — это не та величина, о которой вы хотите думать для ионных ракет. Плотность плазмы (атомов/см $^3$ ) и температура являются соответствующими величинами. Плотность поддерживается за счет введения большего количества атомов топлива в камеру. Температура поддерживается за счет попадания на эти атомы ионизирующего электронного луча.
Извините, это было давно, но не могли бы вы сделать расчет, это мне очень поможет. Спасибо
Требуемая кинетическая энергия частиц для входа в пространство ускоряющей сетки. (Думаю, температура ионов будет отличаться от температуры электронов. Как бы мы это вычислили)
Для первого приближения представьте ион на положительной сетке и дайте ему дрейфовать обратно в плазменную камеру. Он будет ускоряться, пока не окажется в области нулевого напряжения на бесконечном расстоянии. Его кинетическая энергия будет $qV$ , куда $q$ заряд иона и $V$ положительное напряжение сетки. Поверните время вспять, и ион с такой энергией просто попадет в ускоряющее поле из задней части камеры. Потребуется меньше энергии, потому что плазменная камера не бесконечно длинна, а отрицательная сетка уменьшит фактическое напряжение, но это хорошее первое приближение.
@Chandrahas Это отвечает на твой вопрос?

Уве · Answer 2

Уве

Обычный двигатель с двумя жидкостными ракетами тоже требует энергии. Но это химическая энергия, запасенная в ракетном топливе. Ионные двигатели вообще не используют химическую энергию, вся энергия ионного пучка получается из электрической энергии, используемой двигателем. Фактически, обычный ракетный двигатель с гораздо большей тягой, чем ионный двигатель, потребляет гораздо больше химической энергии.

тупик

Да, в точку. Я написал ответ, нацеленный на другую форму движения, здесь space.stackexchange.com/questions/14201/… - я связываю его так же, как он имеет красиво отформатированные уравнения. Эти основные уравнения в равной степени применимы к химическим и электрическим источникам энергии, энергия должна откуда-то поступать.

Чандрахи

Да, потенциальная энергия ионов и решеток просто преобразуется в кинетическую энергию, а заряд решеток не меняется. Следовательно, нам не нужно «поставлять» энергию напрямую. Может быть, косвенно... например, заряжать стены, чтобы ионы могли попасть в пространство решетки? Так где же мы физически поставляем энергию физически?? Вот этого я не понимаю. Я понимаю, что энергия должна откуда-то браться (Но разве зарядка стен требует столько энергии?)

Гоббс

Интересно, но я не думаю, что это отвечает на вопрос.

Уве

@Chandrahas: Сети не только заряжаются, по ним течет ток. Без тока ионный поток не может быть ускорен. Энергия ионного пучка исходит из электрической энергии, используемой ионным двигателем.

LocalFluff

Так почему бы не использовать химическую энергию, например топливные элементы, для производства электроэнергии для ионного двигателя?

СГР

@LocalFluff Я считаю, что фунт за фунтом было бы более эффективно просто использовать химическое топливо, а не топливный элемент, прикрепленный к ионному двигателю. Единственный способ, которым ионный двигатель имеет смысл, — это использовать энергию, полученную из какого-то другого источника, например, солнечной энергии или ядерного реактора.

LocalFluff

@SGR Я думал, что более высокая скорость выхлопа в десять раз или около того была ключом к триумфу электрического двигателя, продемонстрированному миссией Dawn. Но вы говорите, что преимущество SEP заключается просто в сборе окружающей энергии в космосе!??

тупик

@Chandrahas На ваш комментарий «Но разве для зарядки стен требуется столько энергии?» еще раз я думаю, что это возвращается к прояснению вопроса. Вы спрашиваете о мощности для питания луча, mdot Ve^2, или о мощности, потерянной из-за неэффективности? Ваш расчет энергии ионизации фактически является потерей, поскольку он не влияет на мощность луча. Вы, кажется, убеждены в том, что «такое количество энергии» требует много энергии. Возможно ли, что вы предполагаете, что энергия ионизации составляет большую часть общей мощности, и поэтому вы предполагаете, что ваша оценка в 100 Вт неверна.

Чандрахи

Ага. Я предполагал, что большая часть энергии уходит на ионизацию. Во всяком случае, я не имею в виду потери. Я говорю об идеальном двигателе. Почему должен течь ток, а не только 2 заряженные пластины? Это то, куда уходит энергия (производство луча)?

тупик

Да, основная часть электроэнергии идет на производство луча. вы можете рассчитать мощность луча как (1/2) * массовый расход * Ve^2. Я смотрю на двигатель как на черный ящик, производящий тягу. С этой очень высокой точки зрения любая мощность, которая не находится в луче, является потерей точно так же, как с химической ракетой любая энергия, уходящая в виде тепла (большая часть), также является потерей. С этой точки зрения процесс ионизации и ток, идущий к аноду, являются потерями. После этого с процессом разгона сетки помочь не могу, там много тонкостей.

пользователь17622 · Answer 3

Во-первых, я рекомендую вам ознакомиться с разделом 2.6 книги "Основы электрического движения (...)" исследователей НАСА Дэна Гебеля и Айры Кац. Это бесплатно в Интернете, и они показывают довольно хороший энергетический баланс для обычного двигателя. Вот ссылка на pdf: Основы электрического движения .

Во-вторых, уравнение для расчета общего энергопотребления будет выглядеть так:

п знак равно \frac{{грамм}_{0} Т я_{с п}}{2 η_{Т}}

$P = \frac{g_0 T I_{sp}}{2\eta_T}$

Например, для двигателя, создающего тягу 150 мН при удельном импульсе 2000 секунд и хорошем КПД 0,8, потребляемая мощность составит уже 1,875 кВт. Это уравнение показано в разделе 2.5 той же книги и выводится просто из соотношения:

η_{Т} знак равно \frac{п_{Дж е т}}{п_{я н}}

$\eta_T = \frac{P_{jet}}{P_{in}}$

Кинетическая мощность луча , называемая реактивной мощностью, определяется как

п_{Дж е т} знак равно \frac{1}{2} {\dot{м}}_{п} в_{е}^{2} знак равно \frac{Т^{2}}{2 {\dot{м}}_{п}}

$P_{jet} = \frac{1}{2} \dot{m}_p v_e^2 = \frac{T^2}{2\dot{m}_p}$

Таким образом, как обсуждалось в книге, большая часть мощности просто используется для ускорения луча. Все остальные энергозатраты (ионизация, потери на стенках, столкновения на сетках и т. д.) учитываются в КПД и являются незначительными по сравнению с электромагнитным ускорением пучка.

Но мой вопрос: куда мы физически поставляем энергию? Зарядить стены? Ионизировать газ?...
Для ускорения ракеты. Энергия используется для создания поля, которое ускоряет ионы в одном направлении, а двигатель — в другом. Каждый раз, когда ион движется в этом поле, он забирает энергию из электрического поля. Большая его часть уходит в ионный ток между положительной и отрицательной сетками на диаграмме.
Да, большая часть мощности расходуется на сам разгон. Остальное потребление (незначительная часть) связано с потерями ионов, пристеночными эффектами, катодом и т. д. В книге есть список возможных эффектов. Тем не менее, самая важная мощность может быть рассчитана из идеализированного уравнения, которое я показал.
+1 за включение математики, можете ли вы описать здесь и переменные? Ссылки, как правило, со временем ломаются, такие ответы намного лучше, если они также могут стоять сами по себе, поэтому любые будущие читатели могут учиться у них. Просто что-то вроде "...где $\eta_T$ это..."

dmckee --- котенок экс-модератор · Answer 4

В некотором смысле удивительно высокий ISP ионных двигателей является причиной их энергетического голода, независимо от деталей их работы.

Это работает так: нам нужно определенное количество delta-v (в конце концов, для этого и нужен двигатель) или, более формально, определенное количество импульса. $J$ , и мы собираемся получить его, выбросив массу за борт.

Дж знак равно Δ м_{топливо} в_{выхлоп} .

$J = \Delta m_\text{fuel} v_\text{exhaust} \;.$ (Здесь мы берем

Δ m_{fuel}

$\Delta m_\text{fuel}$ быть достаточно малым, чтобы можно было пренебречь членами высокого порядка. Это можно записать в дифференциальных терминах, чтобы формализовать это, но на самом деле это не меняет аргумент.)

Теперь посчитаем стоимость энергии $W$ этого выбора с точки зрения того, сколько массы мы выбрасываем за борт (написав $K$ для кинетической энергии выхлопа относительно КА):

\begin{aligned} Вт & знак равно Δ К \\ знак равно \frac{1}{2} (Δ м_{топливо}) в_{выхлоп}^{2} \\ знак равно \frac{{Дж}^{2}}{2 Δ м_{топливо}} . \end{aligned}

$\begin{align*} W &= \Delta K \\ &= \frac{1}{2} (\Delta m_\text{fuel}) v_\text{exhaust}^2 \\ &= \frac{J^2}{2\,\Delta m_\text{fuel}} \;. \end{align*}$

Таким образом, для фиксированного импульса использование большей массы топлива требует меньше энергии (без учета эффективности приводного механизма).

С этой точки зрения двигатели с очень высокой скоростью выхлопа скорее хуже, чем лучше!

Но мы все равно их используем по нескольким причинам. Во-первых, тирания ракетного уравнения (с его экспоненциальной зависимостью от отношения масс) затмевает другие соображения, во-вторых, запуск с поверхности требует большой тяги практически любой ценой, и в-третьих, затраты энергии на химическое топливо оплачиваются при производстве, а не при изготовлении ракеты. эксплуатируется, и это означает наземную сторону, где много энергии.

Что касается двигателей спутников и зондов, то преобладает вопрос массовой доли.

Описание того, насколько эффективен ионный двигатель, улучшит этот ответ. Если это объясняет большой процент энергопотребления Ионного двигателя, это частично решает проблему ОП; если это объясняет только очень небольшой процент, это не решает проблему ОП.

кодОбезьяна · Answer 5

Основой ракетостроения является закон сохранения импульса:

$p=mv$ (импульс = масса * скорость)

Поскольку импульс сохраняется, изменение импульса топлива равно изменению импульса корпуса ракеты.

Также: энергия движущегося объекта определяется уравнением кинетической энергии:

$KE = {1\over2}mv^2$ (Кинетическая энергия равна половине массы, умноженной на квадрат скорости)

Обратите внимание, что член скорости является линейным в первом уравнении и квадратичным во втором.

Если бы вы, например, удвоили скорость своего топлива и вдвое уменьшили массу, изменение импульса осталось бы тем же, но энергия, необходимая для достижения этого изменения, удвоилась бы!

Таким образом, ионные двигатели кажутся «энергонеэффективными», потому что они разгоняют топливо с малой массой до очень высоких скоростей.

В некоторых приложениях это совершенно нормально: выводить массу на орбиту дорого, поэтому может иметь смысл использовать менее «энергоэффективный» двигатель для экономии массы топлива. Скорость пороха также определяет верхний предел в уравнении ракетной техники, поэтому теоретически возможны более высокие конечные скорости. В других случаях эта характеристика нежелательна.

СФ. · Answer 6

Вдобавок к тому, что является основной причиной, описанной другими: вся энергия выхлопа, поступающая от источника питания, в отличие от химической энергии топлива, в более совершенных ионных двигателях, таких как VASIMR, есть еще один «приемник» для всего этого электричества.

Ваш обычный химический двигатель сделан из превосходных сплавов, устойчивых к высокой температуре и высокому давлению, с активной системой охлаждения, чтобы они не расплавились и не разорвались на части - и все это при энергии топлива на порядок ниже той, которую выдерживают ионные двигатели.

Ионизированное топливо, разогнанное до десятков километров в секунду, будет действовать как экстремально горячая, экстремально абразивная плазма, которая расправится с любыми соплами, сетками, вообще со всеми твердыми конструктивными элементами привода. Более простые приводы справляются с этим просто — пусть это произойдет, сокращая срок службы привода и устанавливая верхний предел достижимого дельта-V, потому что до того, как у вас закончится топливо, привод умрет. Более продвинутые используют единственный «материал», который может справиться с такими условиями и полностью и немедленно «самовосстанавливается»: магнитное поле. В VASIMR, например, ни в одной точке после системы ионизации газ никогда не касается элементов конструкции; он полностью заперт в целой, довольно сложной «сантехнической системе», полностью состоящей из магнитных полей.

... и вам нужно много электричества, чтобы эти электромагниты работали. Ведь они должны быть достаточно сильными, чтобы останавливать и отклонять частицы, движущиеся со скоростью несколько десятков км/с, — совершенно независимо от всех энергоемких систем, разгоняющих частицы до этих скоростей.

Почему мы не можем использовать электромагниты вместо этого? Магнитное поле не зависит от времени, верно?
@Chandrahas: мы используем электромагниты - может быть, вы имели в виду постоянные магниты? Я не могу ответить на этот вопрос, физика плазмы выше моего уровня знаний - вероятно, по той же причине, по которой мы не можем использовать их в стеллаторе...
Ага. Извините, я имел в виду постоянный

Почему ионные двигатели так прожорливы?

Чандрахи

тупик

джеймскф

НЗКшатрия

Джейсен

Ответы (6)

Марк Х

Чандрахи

Марк Х

Чандрахи

Марк Х

Чандрахи

Марк Х

Марк Х

Уве

тупик

Чандрахи

Гоббс

Уве

LocalFluff

СГР

LocalFluff

тупик

Чандрахи

тупик

пользователь17622

Чандрахи

pjc50

пользователь17622

ооо

dmckee --- котенок экс-модератор

Якк

кодОбезьяна

СФ.

Чандрахи

СФ.

Чандрахи