Как собрать ионный двигатель в домашних условиях

12

На ионной тяге: cамодельный ионолет

Включаю высоковольтный генератор, и легкий серебристый аппарат под тихое шуршание коронного разряда поднимается над столом. Выглядит это совершенно фантастически, и я начинаю понимать, почему в интернете встречаются самые удивительные объяснения этому явлению. Каких только версий здесь не встретишь — от привлечения эфирной физики до попыток объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия. «TechInsider» попыталась внести ясность в этот вопрос.

Конструкция ионолета

В качестве ионолета мы решили построить простейшую конструкцию. Наш аппарат — асимметричный конденсатор, верхний электрод которого представляет собой тонкий медный провод, а нижний — пластинку из фольги, которая натянута на рамку, склеенную из тонких деревянных (бальсовых) планок. Расстояние между верхним проводом и фольгой составляет порядка 30 мм. Очень важно, чтобы фольга огибала планки и не имела острых «ребер» (иначе может возникнуть электрический пробой).

К полученному конденсатору мы подключили высоковольтный генератор, изготовленный из модифицированного блока питания бытового ионизатора воздуха с напряжением 30кВ. Положительный вывод — к верхнему тонкому проводу, отрицательный — к пластинке из фольги. Поскольку аппарат лишен системы управления и стабилизации, мы привязали его тремя капроновыми нитями к столу. После включения напряжения он оторвался от поверхности и завис над столом, насколько позволяла привязь.

История вопроса

В 1920-х годах американский физик Томас Таунсенд Браун в процессе экспериментов с рентгеновскими трубками Кулиджа наткнулся на любопытный эффект. Он обнаружил, что на асимметричный конденсатор, заряженный до высокого напряжения, действует некая сила, которая даже способна поднять такой конденсатор ввоздух. На свой аппарат Браун 15 ноября 1928 года получил британский патент №300311 «Метод получения силы или движения». Эффект возникновения такой силы назвали эффектом Бифельда-Брауна, поскольку Пол Альфред Бифельд, профессор физики в Университете Денисона в Гранвилле (Огайо), помогал Брауну в его экспериментах. Сам изобретатель верил в то, что он открыл способ с помощью электричества влиять на гравитацию. Позднее Браун получил еще несколько патентов, но в них какое-либо влияние на гравитацию уже не упоминалось.

В таком виде эта история встречается в интернете почти повсеместно — в статьях многочисленных непризнанных изобретателей «антигравитационных аппаратов» и «космических кораблей будущего». Но ведь наш ионолет действительно летает!

Почему он летает

На самом деле для объяснения принципа не требуется привлечения механизмов неизвестной современной физике «электрогравитации». Как пояснил «TechInsider» доцент кафедры общей физики Московского физико-технического института (МФТИ) Юрий Маношкин, все дело в ионизации воздуха: «В данном случае напряженность поля у одного из электродов — верхнего тонкого провода — выше, там возникает коронный разряд, ионизующий воздух. Ионы разгоняются в электрическом поле конденсатора по направлению ко второму электроду, создавая реактивную тягу, — образуется так называемый ионный ветер». Это, разумеется, лишь качественное объяснение эффекта, поскольку, по словам Юрия Маношкина, «теория этого процесса, включающего множество аспектов — физику газового разряда, плазмы и газодинамику, — очень сложна и пока еще недостаточно разработана. Но этот вопрос изучается, поскольку в перспективе имеет множество вполне серьезных применений. Речь идет не о таких вот летающих игрушках, а, например, о возможностях с помощью ионизации влиять на характер аэродинамического обтекания летательных аппаратов».

Как собрать ионный двигатель в домашних условиях

Предлагаю следующую схему:

Жидкое рабочее тело (1) истекает из тонкой иглы (2) в камеру. На иглу подается сильное положительное напряжение, ориентировочно +1000 вольт. С поверхности жидкости срываются ионы. Любая жидкость в вакууме испаряется, и первыми с поверхности будут срываться положительные ионы. Дальше предлагаемая схема повторяет конструкцию классического ионного двигателя: магниты стабилизируют ионный пучок, который разгоняется электрическим полем между сеточками-электродами (3) и истекает через сопло.

Проще говоря, я предлагаю сверхпростой, сверхдешевый, но малоэффективный способ производства ионов на борту космического аппарата, без всяких магнетронов и электронных пушек. Будет ли он работать?

КПД и удельный импульс у такого движка, несомненно, будут значительно ниже, чем у современных ионных двигателей — во сколько именно раз, я посчитаю позже, так как это непринципиально. А принципиально следующее:

1) Двигатель легко собрать в домашних условиях. Для испытаний нужна лишь вакуумная камера.

Что будет — если капля замкнет электроды? Пипец будет. Это и так ясно.

Какая жидкость имелась в виду?

Не вижу особой простоты. Как и дешевизны.
Как впрочем и неэффективность — нуждается в проверке.

Ну уж нет. это принципиально. Высосанные из ниоткуда выводы обо всем. кпд импульс, тяга.

Это не слова — это термины. И они ддолжны иметь — конкретное цифровое значение. Значения — в студию. Иначе — ваше сообщение — это просто белый шум. бла-бла-бла

Хорошо. Я считал ионный двигатель идеальным решением, так как аппарат все равно несет на себе немаленькие солнечные батареи. Кроме того, очень высоки требования к точности – считанные метры в открытом космосе и сантиметры при посадке. Потребуется многократная, если не сказать непрерывная, коррекция траектории. Химический двгатель для этого не очень приспособлен.

Считаете ли вы, что ионный двигатель в домашних условиях собрать невозможно, а химический возможно? Я понимаю, что точно это сказать не сможет никто – меня интересует экспертная оценка.

Вопрос: Какая жидкость будет использоваться в качестве рабочего тела?

Ответ: Выбор рабочего тела ограничйивается следующими условиями. Жидкость должна быть:

Химически инетрной
Незамерзающей при низкой температуре
Легко доступной
Иметь низкий потенциал ионизации

Преглагаю керосин. Точнее, один из его компонентов — гексан. Будут встречные предложения?

Вопрос: не может ли с иглы сорваться капля? Ведь рабочее тело заряженно положительно и оно притягиется к отрицательно заряженной сетке. Если такое произойдет, капля замкнет электроды.

Ответ: Поверхностное натяжение не даст капле сорваться. Электростатическое притяжение будет на много порядков меньше силы поверхностного натяжения. Это можно доказать математически строго, но я лучше приведу такой простой пример. В вашей домашней розетке, в зависимости от места жительства, 110 либо 220 вольт. Воткните в розетку два тонких проводка, а их обратные концы положите на стол. Капните на стол каплю воды. Один из электродов воткните в каплю, а второй поднесите к капле на расстояние несколько миллиметров. Напряженность электрического поля и, следовательно, сила, действующая на каплю, равна силе, которая будет развиваться в рабочей камере ионного двигателя. Поползет ли капля ко второму электроду? Очевидно, что нет. Пробовать не рекомендую — устроите короткое замыкание.

Маленькая, мало, никакая, никак.
Это все непринципиально — посчитаю позже.

Вопрос: Зачем нужны магниты?

Если вы будете просто выпускать в вакуум положительные ионы (даже если получится), то ваш аппарат со временем будет накапливать отрицательный заряд, который притянет все ваши ионы обратно. Короче, никуда не полетите.

представь, что будет происходить с каплей в вакууме.

ерунда.

1. короткого не будет. Капля просто закипит и испариться. Факт.
2. Все время — кудато забываешь про ВАКУУМ.

х. Углеводороды — будут еще и разлагаться с выделением углерода.

Это — ваш, я так понимаю, основной ответ на все вопросы.

ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА

В.П.Легостаев, Л.А.Пец, А.И.Симонов,

О.С.Тихонов (РКК «Энергия» им. С.П.Королева),

Н.Н.Антропов, Г.А.Попов (НИИПМЭ МАИ),

Р.С.Салихов, Ю.И.Пугачев, Н.П.Щелков (НИИЭМ),

М.Н.Казеев, В.А.Храбров (ФГУП «Курчатовский институт»)

Доклад посвящен знаменательной дате – 40-летию со дня начала эры ЭРД в космосе: 14 декабря 1964 года на советском КА “Зонд-2” была успешно испытана в условиях “дальнего космоса” (5,4 млн. км от Земли) плазменная система ориентации (ПСО). ПСО содержала 6 ЭРД. ЭРД являлись абляционными ИПД. Разработанные и созданные ИПД (с приоритетом от декабря 1962г.) отличались простотой и надежностью и удовлетворяли совокупности требований, сформулированных С.П.Ко-ролевым, Б.Е.Чертоком, Б.В.Раушенбахом в ОКБ-1.

Приводятся тяговые характеристики абляционных ИПД электротермического и электромагнитного типа в диапазоне энергий емкостного накопителя

20-2000 Дж. Кратко описан ИПД для ПСО КА массой в несколько раз большей, чем масса КА “Зонд-2” (

Даны результаты лабораторных испытаний моделей так называемых “маршевых” ИПД.

Описано использование ИПД в качестве инжекторов мощных импульсных потоков плазмы для активного зондирования ионосферы Земли. Сообщается о серии моделей летных образцов ИПД, разработанных в НИИПМЭ, имеющих улучшенные тяговые характеристики.

Приведены данные о готовящейся совместной работе НИИПМЭ МАИ и НИИЭМ. Универсальная космическая платформа “Вулкан” выводится на орбиту вокруг Земли. Два ИПД, разработанные в НИИПМЭ МАИ, используются в составе двигательной установки (ДУ) для стабилизации и/или коррекции орбиты платформы.

Тяговые характеристики ИПД: энергия разряда W0 = 50 кДж, единичный импульс p1 = 1,5·10-3 Н·с, тяговый КПД ηт = 25 %, частота разрядов f = 2 Гц, полное количество разрядов NΣ = 6·10-6, полная масса
ДУ ≤ 15 кг.

Рассматриваются другие возможные применения ИПД: стабилизация и ориентация КА, “маршевые” ИПД будущего.

Дан обзор результатов зарубежных разработок, испытаний и применений ИПД.

В XXI веке область применения ИПД будет увеличиваться по мере миниатюризации КА.

Вы, как всгда, правы. Придется перерисовывать чертежи.

А что, если я поставлю электростатический вольтметр для детектирования излишнего отрицательного заряда на борту и регулирования мощности электронной пушки?

ЖРД: Где взять жидкий кислород? На основании опыта ракетомоделистов, я вам сразу сажу, что нигде: они покупают за бешенные деньги 3% перекись водорода, перегоняют ее до 70% (регулярно подрываясь на своих установках), в к конце имеют нормальный УИ для перекиси водорода, то есть в несколько раз меньше УИ настоящей ракеты.

ТРД: На основании опыта ракетомоделистов, УИ 10 сек.

Не закипит (слишком маленькая), просто испарится.

Безусловно. Если капля и образуется на игле в результате какой-либо ошибки ПО, она просто испариться и дальше двигатель будет работать штатно: через эмиссию ионов с конца иглы.

После прохода участка разгона внутри камеры (от иглы до сетки) пусть разлагаются на что хотят.

Насколько я понимаю, заряд обычно меряется относительно чего-то. Это что-то по идее должно нести на себе нулевой заряд. А в наших условиях сохранить нулевой заряд где-то внутри вольтметра будет сложно.

Но с чего вы взяли, что электронная пушка жрет очень много энергии? Количество электронов, которое должна будет выдавать эта пушка, такое же, как заряд ионов, вылетающих из ионника, т.е. не очень большое. А электроны, как известно, разгонять даже проще, чем ионы.

Ваша уверенность в том, что я самолично изобрел ионный двигатель, конечно, льстит моему самолюбию, но заставляет сомневаться в вашей способности бегло читать, как по русски вообще, так и седьмую фразу моего поста, в частности.

По этому — вообщето разгоняют ионы. И направляют пучек ионов через облако электронов. Облако электронов — формируют просто разогревая вольфрамовую сетку с нанесенным цезием.

В случае решения задачи компенсации плазмы с помощью электронной пушки, нам необходимо, чтобы скорость вылетающих электронов была такая же, как и у ионов, вылетающих из двигателя.

Количество солнечных панелей 2
Длина каждой панели 20 см
Ширина каждой панели 20 см
Общая площадь 800 см3
Или м3 0.08
Солнечная постоянная 1367 ватт/м2
КПД солнечных батарей 15%
Выходная мощность солнечных панелей 16.404 ватт
Напряжение на катоде (внешней сетке) -200 вольт
Напряжение на аноде (игле) 200 вольт
Перепад напряжений 400 вольт
Потенциал ионизации гексана 10.17 Эв
1 электронвольт равен 1.602177*10^-19 Дж
Кинетическая энергия иона 6.24576*10^-17 Дж
Молекулярная масса рабочего тела 131.29 г/моль
Число Авогадро 6.022045*10^23
Масса молекулы гексана 2.180156*10^-25 кг
Максимальная скорость иона 23936.68385 м/с
Расход ионов в секунду 2.62642*10^17 штук
Расход рабочего тела в секунду 5.72601*10^-08 кг
Расход рабочего тела за сутки 4.947269069 грамм
Тяга двигателя 0.001370616 Н
Тяга двигателя 0.1397162 грамм

СКОРОСТь ИСПАРЕНИЯ
Внутренний диаметр иглы 1 мм
Радиус 0.0005 м
Площадь сечения внутреннего канала иглы 7.85398*10^-07 м2
Плотность гексана 700 кг/м3
Рас ход рабочего тела в секунду 5.72601*10^-08 кг
Рас ход рабочего тела в секунду 8.18001*10^-11 м3
Испарение рабочего тела 0.000104151 м/сек
Испарение рабочего тела 0.104151101 мм/сек
Испарение рабочего тела 8.998655167 м/сутки
Вывод: для рабочего тела следует выбирать вещество, скорость испарения которого в вакууме ниже 0.1 мм/сец.

ЗАПАС ТОПЛИВА И ВРЕМЯ В ПУТИ
Сухая масса корабля 1 кг
Удельный импульс (скорость выхлопа) 23936.68385 м/с
Требуемый импульс 4 км/сек
Требуемый импульс 4000 м/сек
Топливная составляющая веса корабля 15.31%
Масса топлива 0.153078304 кг
Расход рабочего тела в секунду 5.72601*10^-08 кг
Время разгона 2673387.125 сек
Время разгона 30.94198062 суток

Количество солнечных панелей N1 = 2
Длина каждой панели N2 = 20 см
Ширина каждой панели N3 = 20 см
Общая площадь N4 = N1*N2*N3 см3
Или м3 N5 = N4/(100*100)
Солнечная постоянная N6 = 1367 ватт/м2
КПД солнечных батарей N7 = 0.15
Выходная мощность солнечных панелей N8 = N5*N6*N7 ватт
Напряжение на катоде (внешней сетке) N9 = -200 вольт
Напряжение на аноде (игле) N10 = 0-N9 вольт
Перепад напряжений N11 = N10-N9 вольт
Потенциал ионизации гексана N12 = 10.17 Эв
1 электронвольт равен N13 = 1.60217653141414E-19 Дж
Кинетическая энергия иона N14 = N13*(N11-N12) Дж
Молекулярная масса рабочего тела N15 = 131.29 г/моль
Число Авогадро N16 = 6.022045E+23
Масса молекулы гексана N17 = (N15/1000)/N16 кг
Максимальная скорость иона N18 = SQRT(N14*2/N17) м/с
Расход ионов в секунду N19 = N8/N14 штук
Расход рабочего тела в секунду N20 = N19*N17 кг
Расход рабочего тела за сутки N21 = N20*1000*(24*3600) грамм
Тяга двигателя N22 = N20*N18 Н
Тяга двигателя N23 = N22*1000/9.81 грамм

СКОРОСТь ИСПАРЕНИЯ
Внутренний диаметр иглы N26 = 1 мм
Радиус N27 = N26/(1000*2) м
Площадь сечения внутреннего канала иглы N28 = PI()*N27*N27 м2
Плотность гексана N29 = 700 кг/м3
Рас ход рабочего тела в секунду N30 = N20 кг
Рас ход рабочего тела в секунду N31 = N30/N29 м3
Испарение рабочего тела N32 = N31/N28 м/сек
Испарение рабочего тела N33 = N32*1000 мм/сек
Испарение рабочего тела N34 = N32*24*3600 м/сутки
Вывод: для рабочего тела следует выбирать вещество, скорость испарения которого в вакууме ниже 0.1 мм/сец.

Португалец собрал ионный двигатель в домашних условиях

Португалец Жуан Дуарте собрал в домашних условиях простую рабочую модель ионного двигателя. Рассказ о своем проекте разработчик опубликовал на портале eLab hackerspace. В его двигателе используются несколько держателей, подставка, корпус и сопло, напечатанные из пластика на 3D-принтере, семь гвоздей, семь медных трубок и высоковольтный трансформатор.

При строительстве ионного двигателя важна высокая электрическая проводимость всех элементов. Для ее увеличения Дуарте покрыл гвозди тонким слоем меди. Он зачистил гвозди от ржавчины, а затем опустил их вместе с окислившимися медными монетами в раствор соли и уксуса. Благодаря меднению электрическая проводимость на поверхности гвоздей увеличилась.

Затем португалец взял медную трубу диаметром два сантиметра и нарезал ее на пять частей длиной пять сантиметров каждая. После этого Дуарте распечатал на принтере держатели для трубок и гвоздей, подставку, кожух двигателя и сопло. Для эффективной работы ионного двигателя кончики медненных гвоздей должны находиться точно в центре окружности медных трубок.

На каком расстоянии от трубок следует разместить гвозди от трубок Дуарте не уточнил, но отметил, что оно должно быть одинаковым для всех гвоздей. Для регулирования тяги португалец сделал держатель с гвоздям подвижным в горизонтальной плоскости. К трубкам и гвоздям Дуарте подключил трансформатор, способный выдавать напряжение в девять киловольт и силу тока в 50 миллиампер.

В конструкции двигателя гвозди выступают в качестве катода, а медные трубки — анода. При включении напряжения воздух вокруг гвоздей ионизируется и притягивается анодом, возникает воздушный поток, который и формирует незначительную тягу за соплом двигателя. Сдвинутся с места такая силовая установка не может, но способна колыхать обрезки бумаги.

Концепцию ионного двигателя впервые предложил американский ученый Роберт Годдард. В 1954 году технологию детально описал ученый Эрнст Штулингер, а первый функционирующий двигатель был собран в 1959 году в NASA. Он смог проработать на протяжении 31 минуты. В качестве маршевого двигателя ионная силовая установка была впервые использована на космическом аппарате Deep Space в 1998 году.

Современные ионные двигатели способны непрерывно работать на протяжении трех лет. В них для создания реактивной тяги используются как правило аргон или ксенон. Эти инертные газы разгоняются в электрическом поле. Положительными качествами ионного двигателя является малое энергопотребление и расход топлива, а серьезным недостатком — микроскопическая тяга, составляющая до 250 миллиньютонов.

Ионный двигатель

Автор

Данный опыт посвящен созданию демонстрационной модели ионного двигателя.

Возьмём два электрода, подадим на них огромное напряжение.
Расстояние между электродами много больше расстояния пробоя. Если один
из электродов имеет острые углы или поверхности, то вокруг них мы будем
видеть сине-фиолетовое свечение.

Такое свечение называется коронным и является одним из видов
электрического разряда. Вызвано оно тем, что с острых краёв разностью
потенциалов срывает электроны, и они, ионизируя воздух, вызывают
свечение.

На фото как раз видно, что с острия иголки разностью потенциалов срывает электроны, что и вызывает такое свечение.

Раз с поверхности металла срывает носители заряда, то создаётся
некоторая реактивная тяга, так нельзя ли ее использовать? Можно. Для
этого был изготовлен и отбалансирован электрод особой формы (см. рис.
1) формы, с 2 остриями, направленными в разные стороны. Этот электрод
был поставлен на острие иглы, на которую было подано напряжение. Как
только мы подаём высокое напряжение (20 КВ 20 КГц, один электрод –
земля, второй – опорная игла), с остриёв электрода срываются электроны,
придавая небольшую реактивную силу, в результате чего электрод начинает
вращаться.