XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ионный двигатель-двигатель будущего
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента начала орбитальных полетов. Сейчас на околоземной орбите находятся тысячи искусственных спутников, выведенных туда ракетами-носителями с мощными реактивными двигателями на химическом топливе. Для преодоления гравитации Земли и развития первой космической скорости необходима мощная тяга, которую могут дать только обычные двигатели.
Для того, чтобы отправить ракету Falcon Heavy массой 550 тонн, нужно использовать 400 тонн топливной смеси, которая за 9,5 минут израсходуется. Для вывода спутника на орбиту этого достаточно, а вот долететь до Марса с помощью такого двигателя не получится. Эта проблема заставила ученых искать альтернативу, и она была найдена в виде ионного двигателя.
Ионный двигатель—устройство, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.
Цель работы: изучение принципов работы ионного двигателя и создание его действующей модели.
Объект исследования: ионный двигатель.
Предмет исследования: процесс ионизации газа как причина, вызывающая реактивное движение.
Задачи исследования:
- изучить информационные источники по теме исследования;
-разработать модель ионного двигателя;
-осуществить сборку и тестирование прибора.
Методы исследования:
-работа с научными источниками;
-работа с Интернет-ресурсами;
-эксперимент.
Гипотеза: при ионизации газа возникает реактивная тяга, способная привести в движение тело.
Актуальность работы заключается в том, что применение ионных двигателей открывает новые перспективы развития космонавтики, в частности, запускаемых космических аппаратов.
Практическая значимость работы заключается в создании экспериментальной действующей модели ионного двигателя, которая может применятся учителем на уроках физики для демонстрации явлений ионизации воздуха, коронного разряда, реактивного движения, а также на внеклассных мероприятиях для формирования у учащихся интереса к изучению физики.
1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1 История создания ионного двигателя
Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Первым человеком, который еще в 1911 году публично предложил идею создания ионного двигателя, стал российский и советский ученый, пионер космонавтики Константин Циолковский. [1] При этом первый документ, в котором упоминается электрическая тяга для движения космических объектов, был за авторством американского ученого Роберта Годдарда, который в 1917 провел первый эксперимент с ионным двигателем в Университете Кларка. (Фото1.1)
Фото 1.1-Ионный двигатель
Первый работающий ионный двигатель был построен в 1959 году инженером НАСА Горальдом Кауфманом. (Фото 1.2)
Фото 1.2-Кауфман с макетом SERT-2
В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. (Фото 1.3) Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей. [2]
Фото 1.3-Аппарат "Зонд-2"
Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфмана в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT-1). Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II). Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.
Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.
1.2Принцип работы ионного двигателя
Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с, по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.
Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю. [3]
Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей. (Рисунок 1.1)
Рисунок 1.1-Схема работы ионного двигателя
1.3Применение ионных двигателей на современном этапе
В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). (Фото 1.4)
Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года, и японский аппарат Хаябус, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.
Фото 1.4-Ионный двигатель аппарата Deep Space 1
Самый яркий пример использования ионных двигателей для дальних путешествий-автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Dawn оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями NSTAR. Они установлены в нижней части аппарата. Принцип их работы состоит в ускорении в электрическом поле ионов ксенонового топлива. Двигатели длиной в 33 см, диаметром сопла в 30 см и массой 8,9 кг разгоняют атомы до скорости в 10 раз выше, чем современные химические двигатели. Ускорение и торможение обеспечивается за счет установленных на борту солнечных батарей и уровня подачи топлива. Для полета Dawn необходимо всего 3,25 мг топлива в секунду. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полет Земля-Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полет Веста-Церера-110 кг. Миссия Dawn стала не только одной из самых энергоэффективных в истории космонавтики, но и установила несколько рекордов скорости: 5 июня 2016 года, спустя 9 лет после запуска, станция Dawn разогналась до 39900 км/ч (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn в связи с полной выработкой топлива ионными двигателями. (Рисунок 1.2) [4]
Рисунок 1.2- Эмблема миссии Dawn
Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник. (Фото 1.5)
Фото 1.5-Спутник GOCE
Еще одним космическим аппаратом, который использует ионные двигатели для дальних полетов, является японская исследовательская станция "Хаябус-2" по изучению астероида Рюгу. Зонд, на котором установлены 4 ионных двигателя, может менять направление полета за счет этих двигателей. Рабочим телом данных двигателей является ксенон массой 73 кг, который хранится в 51-литровом топливном баке.
В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.
Ионные двигатели использовались в семи завершившихся миссиях и используются в четырех действующих.
Действующие миссии:
Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором.
Artemis.
Хаябус-2.
BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН. (Фото 1.6)
Фото 1.6- Космический аппарат BepiColombo
Тяньхэ — базовый модуль Китайской космической станции, запущенный 29 апреля 2021, имеет 4 ионных двигателя для коррекции орбиты.
1.4Перспектива применения ионных двигателей в космической уборке
Одним из перспективных направлений использования ионного двигателя является космическая уборка. На орбите Земли с каждым годом появляется все больше космического мусора, а спутники с ионным двигателем могут стать идеальным решением этой проблемы. Идея заключается в том, чтобы поставить два ионных двигателя на аппарат-уборщик, который сможет одновременно "дуть" на мусорный объект, смещая его с орбиты, и поддерживать собственную орбиту уборщика. Главный плюс ионных двигателей-малые энергозатраты. На пяти килограммах топлива один двигатель будет работать в течение года. По космическим меркам это очень мало. Хотя тяги ионного двигателя не хватает, чтобы эффективно перемещать космические корабли, для работы с мусором ее оказалось достаточно. (Рисунок 1.3)
Рисунок 1.3-Схема уборки космического мусора
Австралийиские ученые и инженеры разработали ионный двигатель NeumannDrive, работающий на космическом мусоре. Этот двигатель обладает высокой энергоэффективностью, но его главным отличием является то, что в качестве топлива он может использовать различные металлы, добытые в процессе переработки космического мусора.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Сборка модели ионного двигателя
Для исследования принципов работы ионных двигателей нами была создана экспериментальная модель. Наша экспериментальная модель представляет собой 4 ионных двигателя, закрепленных на концах лопастей, вращающихся на одной оси. Модель выполнена из диэлектрического материала-дерева. (Приложение, фото 2.1, фото 2.2)
Подача напряжения к каждому двигателю осуществляется от блока питания компьютера, который подключается к сети с переменным напряжением 220 В и преобразовывает его в постоянное 5 В. Для увеличения напряжения до нескольких кВ блок питания подключается к повышающему трансформатору электрошокера и далее к модели ионного двигателя. Каждый двигатель состоит из медной иголки–анода и алюминиевого цилиндра –катода. В качестве рабочего тела используется воздух.
Заявленное паспортное максимальное напряжение трансформатора электрошокера составляет 6000 В. В сети интернет мы прочитали, что по факту трансформатор электрошокера может выдать не более 3000 В.
Под действием высокого напряжения на электродах ионизатора возникает электрический коронный разряд, ионизирующий воздух. Образовавшиеся положительные ионы ускоряются в электрическом поле и создают ионный ветер, наличие которого можно установить, если поднести пламя свечи. (Приложение, фото 2.3) Возникающая в этот момент реактивная тяга вызывает вращение нашей модели.
Ионизацию воздуха подтверждает появившийся после запуска двигателей характерный запах озона, который также появляется после грозы.
Таким образом, созданая нами действующая модель является простейшим примером ионного двигателя, который используется в работе космических аппаратов.
2.2Расчёт характеристик модели ионного двигателя
Каждый из 4 ионных двигателей нашей модели находится на расстоянии R=20 см=0,2 м от оси вращения. Мы экпериментально рассчитали период обращения одного из двигателей. Для этого необходимо было найти среднее время <t > N=5 полных оборотов двигателя по формуле:
<t>= .
Время измеряли секундамером. Среднее время пяти полных оборотов составило:
<t>= 10,338 с 10,34 с.
Затем было рассчитано среднее значение периода обращения двигателя по формуле:
<Т>=
<Т>= =2,068 с 2,07 с.
По формуле = было рассчитано среднее значение центростремительного ускорения, которое составило 1,85 .
Среднее значение угловой и линейной скоростей двигателя рассчитали, исходя из формул:
3,03 , 0,61 .
2.3 Сборка модели ионолёта
Для полета ионолет использует те же принципы, что и ионные двигатели, которые устанавливают на космические аппараты. На тонком проводе возникает коронный разряд, воздух ионизуется. Ионы разгоняются в электрическом поле, создавая реактивную тягу.
В основе конструкции – склеенная из тонких деревянных планок треугольная рама. Верхний электрод – тонкая медная проволока сечением 0,1 мм2. Нижний – широкая полоска из пищевой алюминиевой фольги, натянутая на раму. Расстояние между ними – около 30 мм. Фольга должна огибать планки и не иметь острых ребер, в противном случае может возникнуть электрический пробой. (Приложение, фото 2.4)
После сборки конструкции к ней подключается высоковольтный источник питания: положительный вывод – к проводу, отрицательный – к фольге.
Вблизи тонкого электрода возникает ионизация атомов воздуха (кислорода в случае отрицательного напряжения на этом контакте, азота в случае положительного), полученные ионы начинают двигаться к широкому электроду, сталкиваясь с молекулами окружающего воздуха и отдавая им часть своей кинетической энергии, превращая молекулы либо в ион либо передавая им дополнительное ускорение (ударная ионизация). Создаётся поток воздуха от тонкого электрода к широкому, которого оказывается достаточно, чтобы поднять в воздух лёгкую летающую модель, которую и называют ионолётом.
В нашем случае подаваемого на электроды напряжения было не достаточно, чтобы возникла реактивная тяга , способная поднять наш ионолёт в воздух. Но подтверждением ионизации воздуха тонким электродом служит свечение проволоки, которое можно зафиксировать в темноте. (Приложение, фото 2.5)
Таким образом, собранную нами модель ионолета можно поднять в воздух, если подключить высоковольтный источник питания с подаваемым напряжением около 10 кВ и больше.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в ходе выполения работы нами были изучены устройство и принцип работы ионного двигателя. Мы установили, что тяга зависит от напряжения и может быть существенно увеличена при улучшении конструкции двигателя.
Все поставленные цели достигнуты, так как было изучено много источников информации по работе и применению ионных двигателей.
Мы узнали, что в ближайшем будущем ионные двигатели заменят двигатели орбитального движения малых космических аппаратов, что увеличит срок их эксплуатации в 2-3 раза и продлит срок их жизни до 5-10 лет. В отдаленной перспективе планируется оснащать все, в том числе тяжелые, космические аппараты ионными двигателями, что позволит совершать путешествия к далеким планетам и звездам, пилотируемые экспедиции к планетам Солнечной системы, тяжелые транспортные перелеты. В данный момент ионные двигатели применяются для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли. С течением технической проработки концепции двигателя он сможет в ближайшем будущем заменить главный тяговый двигатель тяжелых космических аппаратов. Поэтому можно с уверенностью сказать, что ионный двигатель–двигатель будущего.
Практическим достижением нашей работы является созданная действующая модель ионного двигателя. Таким образом, наша гипотеза подтверждена. Созданная нами модель ионного двигателя может применятся учителем на уроках физики для демонстрации явлений ионизации воздуха, газового разряда, реактивного движения, а также на внеклассных мероприятиях для формирования у учащихся интереса к изучению физики.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гильберг Л. А. Электрические ракетные двигатели.-М.: Воениздат, 1968. -79 с.
2. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов.-М.: Машиностроение, 1989.- 216 с.
3. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионный_двигатель-Дата доступа: 20.10.2021
4. Википедия. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ru.wikipedia. org/wiki/Dawn_(космический_аппарат)-Дата доступа: 20.10.2021
ПРИЛОЖЕНИЕ
Фото 2.1-Модель ионного двигателя
Фото 2.2-Испытание экспериментальной установки
Фото 2.3-Возникновение ионного ветра
Фото 2.4-Модель ионолёта
Фото 2.5-Свечение верхнего электрода ионолёта