С какой максимальной скоростью ионный двигатель может разогнать космический корабль?

Я читал, что с нашей нынешней технологией ионного двигателя мы можем отправить корабль, двигающийся со скоростью не более 100 км в секунду, или около 62 миль. Однако мы, похоже, ограничены тем, насколько мощным генератором энергии мы можем поместить на борт корабля. Возможно ли, что с достаточной мощностью мы сможем разогнать космический корабль выше этого предела в 100 км в секунду? Какова максимальная скорость, с которой мы могли бы отправить корабль в космос с нашей современной технологией ионного двигателя?

(0,999999...)с.
@Erik Не обошлось без фэнтезийной инженерии.
Но это возможно с современными технологиями.
@ Эрик На самом деле нет - см. Мой ответ.
Так что это был просто комментарий, а не серьезный ответ. Сказав это, ОП никогда не ограничивал ответ одноступенчатым запуском и не говорил, насколько велик космический корабль. Однако ваш срок службы двигателя хороший, но, в конце концов, это просто больше сухой массы на очень большом транспортном средстве.
Кроме того, по вашему мнению, уравнение Т. не учитывает релятивистские эффекты, что делает его еще более сложным.
Ксенон на планете заканчивается задолго до того, как вам нужно беспокоиться о релятивистских скоростях.
Почему ограничены ксеноном на планете?
Позвольте мне спросить, если мы отправим зонд в район пояса Койпера, а затем потеряем около 4,7 км/с орбитальной скорости и позволим ему камнем упасть на Солнце, какой будет его скорость до того, как он сгорит?
...100 км/с - это скорость убегания Солнечной системы с высоты 38 солнечных радиусов над Солнцем. Зонды определенно могут пережить это. Так что да, бросьте зонд в пояс Койпера, задержите орбитальную скорость, немного подтолкните к Солнцу (иначе начало займет много времени) и дайте ему сделать решительный шаг. Вы получите ~ 600 км / с, прежде чем он упадет на поверхность.

Ответы (2)

Ограничение связано не с мощностью, а со сроком службы двигателя и ограничениями по топливу.

Ионные двигатели производят очень небольшую тягу, поэтому для достижения скорости в 100 км/с они должны непрерывно ускоряться в течение месяцев или лет. Космический корабль Dawn , например, был построен с тремя резервными ионными двигателями , чтобы продлить срок его службы, и не разогнался до 100 км/с; у него было достаточно топлива, чтобы изменить свою скорость примерно на 10 км/с, и потребовалось 15000 часов (~1,7 года) непрерывной тяги, чтобы изменить скорость на 4,3 км/с .

Для достижения ∆v 100 км/с с ионным двигателем, подобным тем, что были на Заре (с удельным импульсом 3100 с (скорость истечения 30400 м/с)) обратимся к уравнению ракеты Циолковского :

Δ в знак равно в е п ⁡ м 0 м ф

Где в е - скорость истечения ракеты и м 0 а также м ф - масса корабля, полного топлива и порожнего соответственно.

100000 знак равно 30400 п ⁡ м 0 м ф ⇒ 3,29 знак равно п ⁡ м 0 м ф ⇒ м 0 м ф знак равно е 3,29 знак равно 26,8

Таким образом, космический корабль с ионным двигателем, намеревающийся достичь скорости 100 км/с, должен нести в 26 раз больше своей сухой массы ксенонового топлива. Это чрезвычайно высокое отношение масс, обычно недостижимое в одноступенчатом космическом корабле. Двух- или трехступенчатый космический корабль мог бы сделать это с разумным соотношением масс.

Ионные двигатели уже очень энергоемки, и их нужно сочетать с большой массой в солнечных панелях или РИТЭГах . Более мощные двигатели могут немного увеличить скорость выхлопа, снизив отношение масс, но за счет значительного увеличения сухой массы при большем источнике питания.

Обратите внимание, что в этом ответе я имею в виду изменение скорости или ∆v, а не максимальную скорость. Это связано с тем, что скорость объектов в космосе должна быть описана относительно конкретной точки отсчета, а ограничения скорости не работают так, как для транспортных средств, движущихся по Земле.

Это немного придирка, но так не должно быть ⇒ ( \Rightarrow) а не → ( \rightarrow)? Первый раз, когда я прочитал это, я прочитал → в качестве → (оператор «переходит к»; в LaTeX — \to).
@MichaelKjörling Спасибо - мне это показалось неправильным, но я не был уверен, существует ли формальная конвенция. \rightarrowбыла первая вещь, которую я попробовал, которая выглядела смутно полезной.
Я не знаю, правильно ли это формально , но это то, чему я научился еще в школе.

У вас все правильно, но вы смотрите на очень узкий круг провайдеров.

  • Миссия BepiColombo к Меркурию использует ионный двигатель с ISP 4200 секунд (41 202 М / с). Та же формула дает массовое отношение 11,325.

  • Ионный двигатель NEXIS может достигать 8000 секунд (78 200 м/с).

  • Инновационное европейское подруливающее устройство DS4G развивает скорость 19 300 секунд (188 200 м/с), что превышает 100 км/с, указанные в предыдущем вопросе.

  • Литиевые GIT (ионные двигатели с сеткой) продемонстрировали 50 000–80 000 секунд ISP (от 490 км / с до 780 км / с).

Проблема не столько в соотношении масс, сколько в мощности, подводимой к двигателю, и эрозии электрода. DS4G — это первый двигатель с концентрированной мощностью в небольшой форме, что необходимо ядерному реактору мощностью 100 кВт или, возможно, МВт.

С мегаваттной мощностью можно иметь ионные двигатели, превышающие 100 000 секунд ISP (более 1000 км/сек).

С какой максимальной скоростью ионный двигатель может разогнать космический корабль?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v