Коллоидные или электрораспылительные двигатели - есть ли преимущества перед ионными двигателями?

Я мало что видел о коллоидных или электрораспылительных двигателях , кроме этой статьи в Википедии и нескольких вопросов здесь. Идея аналогична ионным двигателям в том, что масса топлива разбивается на мелкие кусочки, ионизируется и ускоряется электростатически. Разница заключается в характере маленьких битов.

Ионные двигатели могут достигать высокой эффективности ионизации, большинство вылетающих атомов топлива успешно ионизируются и ускоряются.

Однако, если я правильно понимаю, коллоидный двигатель только разбивает топливо на крошечные капли, ионизирует и ускоряет их. Максимальный заряд, который вы можете придать крохотной капельке или твердой частице, составляет лишь малую часть числа электронов, потому что кулоновская сила очень велика. Я точно не знаю, но, возможно, порядка одного заряда на тысячу атомов плюс-минус десять, хотя это будет зависеть от размера и природы капли или частицы.

Имеют ли коллоидные двигатели преимущество перед ионными двигателями при такой низкой эффективности ионизации? Может простота? Меньший вес? Или я ошибаюсь в понимании технологии? Возможно, электрораспылительные и коллоидные двигатели не одно и то же?

Связанные вопросы:

  1. Взаимосвязь между размерами детали и характеристиками ионного электрораспылителя
  2. Создание электрического поля для коллоидного двигателя

Новости НАСА: MIT SPL поставляет НАСА масштабируемую двигательную установку с ионным электрораспылением (S-iEPS) для CubeSats

Ответы (1)

Одним существенным преимуществом или недостатком, в зависимости от того, как вы на это смотрите, является крошечная тяга, намного меньшая, чем в случае классических ионных двигателей.

Еще одним преимуществом является то, что процесс электрораспыления создает ионизированные капли из жидкости без необходимости в довольно сложной электромеханической системе, которая сначала выпускает ксенон из резервуара под давлением, а затем ионизирует его поток. Это позволяет как миниатюризировать (отсутствие движущихся частей, уменьшенное количество частей), так и обеспечивает 100% зарядку спрея (и достаточно постоянный заряд) - именно процесс зарядки поверхности жидкости вызывает разделение, преодолевая поверхностное натяжение. , причем порог сепарации достаточно стабилен (в расчете на порох), и быстрое, тонкое управление скоростью процесса.

А так как потребляемая мощность, как и у ионных двигателей, пропорциональна удельному импульсу и массовому расходу, то при таком мизерном массовом расходе он вполне умеренный.

Это означает, что электрораспылительные двигатели, по-видимому, невозможно увеличить в производительности, как, скажем, VASIMR, и они не позволят приблизиться к тому же уровню тяги, они компактны, они позволяют очень точно (и без потерь) управлять тяги (вы просто отключаете электроды, которые запускают процесс электрораспыления, и капли перестают разделяться), они не создают большой нагрузки на источник питания корабля, и, по сути, они создают замечательные двигатели RCS с чрезвычайной точностью.

Таким образом, электрораспылительные двигатели - не очень хорошая идея для главного двигателя - они могут работать с наноспутниками в крайнем случае (учитывая срок службы корабля и продолжительность миссии, они довольно непривлекательны), они - вариант для удержания на месте сверхточно выровненных созвездий. eLISA, гравитационно-волновая обсерватория с расстоянием между спутниками 2,5 млн км, будет поддерживать погрешность позиционирования спутников в пару миллиметров или меньше (остальная требуемая точность будет достигнута за счет механической настройки датчиков внутри корабля - больше из необходимо экономить электрораспылительное топливо RCS, чем из-за необходимости более высокой точности выравнивания с использованием RCS), но другие предлагаемые проекты включают ускорители частиц, использующие космический вакуум в качестве среды «коридора», или телескопы с большим фокусным расстоянием, где отдельные линзы или зеркала установлены на отдельных спутниках, выровненных по оптическому пути.

Короче говоря, они представляют собой совершенно иной вид животных, чем типичные ионные двигатели — они являются назначенными сверхточными двигателями RCS, и попытка сравнить их характеристики с выделенными главными двигателями — это ошибочная попытка, сосредоточенная на совершенно неправильном наборе свойств.

Спасибо за отличный ответ! При равной максимальной тяге ионные двигатели, вероятно, имеют аналогичную превосходную точность, верно? Вы можете изменять ток и/или ускоряющее напряжение (энергию) непрерывно или импульсно. Так разве преимущество на самом деле не только в весе? Не будут ли прецизионные ионные двигатели для небольших спутников просто тяжелее двигателей с электрораспылением?
@uhoh: Однако вы не можете так же точно изменять массовый расход для ионных двигателей. Вы можете быстро изменить количество ионизации/энергии ксенона, но количество впрыскиваемого ксенона не так легко/быстро контролируется. Это с потерями - вы не меняете массовый расход, вы меняете удельный импульс (уменьшая его ниже оптимального). И да, по размеру вам будет хуже. Особенно, если вы хотите предусмотреть не менее 12 двигателей для всех степеней свободы.
Прочитайте мой вопрос еще раз. Если в электрораспылительных двигателях используются капли, то каждый отдельный ускоренный заряд «стоит» сотен или тысяч атомов по сравнению с одним атомом для ионного двигателя. Не могли бы вы сказать, что это гораздо более потеряно?
@uhoh: 1: какой процент ксенона выходит из двигателя неионизированным? 2: процесс электрораспыления как раз и является эффектом «перезарядки» жидкости — капли распадаются на более мелкие, пока не смогут удерживать заряд; Мне не удалось определить размер капель, но поток может быть порядка 10^12 частиц в минуту , так что капли, скорее всего, будут ближе к десяткам атомов, чем к сотням тысяч.
Это ответ без поддержки источников, ссылок или цифр. Дискуссии могут продолжаться вечно при отсутствии неопровержимых фактов, так что я больше не пойду по этому пути. Ионные двигатели производят плазму за счет электромагнитного нагрева, для чего требуются магниты и высокая радиочастотная мощность и, следовательно, охлаждение, поэтому они будут тяжелее. Если вы не можете подтвердить какие-либо другие преимущества перед ионными двигателями, кроме веса, вам действительно не следует называть их преимуществами .
@uhoh: следуя некоторым примерам данных , я получаю ~ 19 кулонов на килограмм топлива. Вольт на вольт, грамм на грамм, удельный импульс будут отличаться только зарядом на единицу массы пороха. Я все еще хотел бы увидеть, сколько заряда получает килограмм ксенона при ионизации, хотя не могу найти никаких источников для этого.
Хорошо, здесь уже поздно, но я посмотрю больше завтра. Если бы эффективность ионизации ксенона + 1 составляла 100%, она составляла бы ~ 735 000 Кл / кг, и довольно высокая эффективность ионизации только для первой ионизации не является чем-то, что трудно получить от современных источников ионов. Вот почему меня так интересует различие. ( 1000 ( грамм / к грамм ) × Н А ) / ( 131,3 × С о ты л ) .