Двигатель холла своими руками

Стационарный плазменный двигатель — Википедия

Двигатель на эффекте Холла. Совершенно та же Википедия. Только лучше.

Когда и как возникла идея разработки плазменного двигателя

О возможностях использования электроракетных двигателей задумывались ещё в начале XX века. Идея создания плазменного двигателя, в котором могла бы возникать реактивная тяга за счёт энергии ионов, параллельно была впервые публично выдвинута в 1911 году российским учёным Константином Циолковским, одним из теоретических основоположников космонавтики. Первые практические эксперименты в этом направлении в 1916 году были проведены уже американским «отцом космонавтики» — учёным Робертом Годдардом.

В то время подобные разработки не смогли стать основой каких-либо полноценных технических решений: они могли действовать только в условиях, максимально приближённых к вакууму. Вопросы использования плазменных технологий стали актуальными к 1960-м годам, когда СССР и США приступили к практическому освоению космического пространства. Учёными этих стран к тому времени были обоснованы принципы работы различных ионных двигателей, способных создавать реактивную тягу за счёт ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле.

Первый работающий ионный двигатель был построен инженером НАСА Гарольдом Кауфманом в 1959 году. В качестве топлива он использовал ртуть. Суборбитальные испытания этого двигателя прошли в 1964 году, когда исследовательской ракетой был запущен научный зонд Sert 1 — первое в истории устройство, использовавшее конструкцию ионного двигателя в космосе. В 1970-х годах в США провели ряд повторных испытаний этой технологии, но в дальнейшем развивать её не стали.

СПД калининградского ОКБ «Факел»

В СССР подошли более основательно Теоретическое исследование плазмодинамики, осуществлённое академиком Алексеем Морозовым, считается наиболее фундаментальным в мировой науке. В 1972 году в системе ориентации советского спутника «Метеор» были использованы два электроракетных двигателя: «классический» ионный и стационарный плазменный (СПД). Последний вариант показал себя лучше, и советские специалисты сконцентрировались на этой разновидности двигателей. На их производстве стало специализироваться калининградское ОКБ «Факел», которое в дальнейшем стало развивать и совершенствовать данную технологию.

В настоящее время именно калининградские СПД лидируют в мире по характеристикам достигнутой мощности и производительности. Они широко востребованы многими зарубежными производителями коммерческих геостационарных спутников и применяются для поддержания их орбит. Российские СПД сделали возможным создание спутников без использования химической тяги, основанной на весьма токсичном топливе.

Устройство

Холловский двигатель состоит из кольцевой камеры между анодом и катодом, вокруг которой расположены магниты. С одной стороны в камеру подаётся рабочее тело, с другой стороны происходит истекание плазмы. Нейтрализация положительного заряда плазмы производится электронами, эмитируемыми с катода.

По принципиальной схеме холловские двигатели делятся на двигатели с анодным слоем (ДАС) и с протяжённой зоной ускорения (СПД).

Краткий экскурс в физику

Для начала стоит отметить, что любому ракетному двигателю свойственно выбрасывание из сопла слабо ионизированной плазмы. Вне зависимости от его вида. Но «классическими», настоящими плазменными двигателями являются те, которые ускоряют плазму благодаря электромагнитным силам, оказывающим воздействие на заряженные частицы.

Процесс сложный. Любое электрическое поле, которое ускоряет в плазме заряды, придаёт электронам и ионам равные по модулю суммарные импульсы. Вдаваться в эти подробности необязательно. Достаточно знать, что импульс – это величина измерения механического движения тела.

Поскольку плазма является электрически нейтральной, то сумма всех положительных зарядов равна по модулю сумме отрицательных. Есть определённый отрезок времени – он бесконечно мал. За эти считаные мгновения все положительные ионы получают мощный импульс. Такой же направляется в обратную сторону – к отрицательным. Что получается? Суммарный импульс в итоге равен нулю. А значит, тяги не возникает.

Такой вывод: для электрического «разгона» плазмы необходимо разделение разноименных зарядов. Положительные будут разгоняться тогда, когда отрицательные выведены из зоны действия. Сделать это сложно, так как кулоновские силы притяжения восстанавливают электрическое равновесие, возникая между плазменными разноимённо заряженными сгустками.

И как же удалось воплотить этот принцип работы в плазменном ракетном двигателе? За счёт магнитных и электростатических полей. Только вот во втором случае агрегат традиционно именуется ионным, а в первом – именно плазменным.

Китайский прорыв

И вновь в топы научных новостей ворвался китайский Ухань. Но на этот раз китайцы переплюнули сами себя. Из обычной микроволновки и электронасоса дальневосточные умельцы смонстрячили плазменный двигатель. И он даже заработал.

На самом деле всё очень серьёзно. Исследователи из Уханьского университета под руководством инженера Даня Е опубликовали 5 мая 2020 года статью, в которой описали работающий прототип плазменного двигателя. Обошлось без зубодробительной физики, сложных формул и сомнительных гравитационных эффектов.

Принцип действия экспериментальной установки прост до безобразия. Компрессор подаёт воздух под давлением в кварцевую трубку, к которой подсоединён волновод. На одном из концов которого расположен магнетрон мощностью 1 кВт — то самое устройство, без которого мы не могли бы разогревать пищу в микроволновке. С помощью генерируемого им излучения 2,45 ГГц происходят нагрев и ионизация подаваемого воздуха. Получается плазма, которую потом отводят в « реактивное сопло» — кварцевую трубку диаметром 24 мм.

Так как на одном конце у нас прикреплена « микроволновка», получившуюся установку охлаждают водой. Без этой важной детали китайцы рисковали бы получить высокоплазменный электромангал.

Эксперимент оказался суперуспешным. Созданной тягой китайцы заставили подпрыгивать килограммовый стальной шар, который укрепили на конце импровизированного сопла. Немного экстраполировав получившиеся цифры — подъёмная сила 28 Н/кВт и давление 24 кН/кв.м, — авторы сделали серьёзный вывод: воздушноплазменный реактивный двигатель их типа может быть « жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе». Тройное комбо: не надо будет жечь нефтепродукты, загрязнять атмосферу углеродом, ещё и климат Земли спасём от перегрева.

Ну конечно же, можно сказать, что вот ради последнего-то всё и затевалось — заговор китайских экологов-атлантистов, не иначе. Но на самом деле всё гораздо печальнее.

Схема работы плазменного двигателя

Основные типы плазменных двигателей для космических кораблей	Принципы действия
Электростатический	«Классический» ионный двигатель, действующий на основе «эффекта Холла», при котором замкнутый дрейф электронов под действием кольцевого электростатического поля обеспечивает реактивное истекание плазмы.

По принципиальной схеме холловские двигатели делятся на двигатели с анодным слоем (ДАС) и с протяжённой зоной ускорения (СПД)

Электротермический Для генерации плазмы используются электромагнитные поля, что приводит к повышению температуры топлива. Далее тепловая энергия, передаваемая газообразному топливу, преобразуется в кинетическую Электромагнитный Плазменный двигатель, в котором ионы ускоряются за счёт воздействия электромагнитных полей — естественного (земного) и искусственного (генерируемого самим аппаратом)

Самыми используемыми в настоящее время пока что являются устройства, так или иначе действующие на эффекте Холла.

Схема ионного двигателя

На сегодняшний день ионные двигатели необходимы спутникам, чтобы маневрировать в ближнем космосе — как правило, для удержания параметров стационарной орбиты, изменения своего курса или уклонения от космического мусора. Но существует и несколько проектов, связанных с использование ионных двигателей для дальних космических путешествий.

Самым известным из них стала автоматическая исследовательская миссия Dawn от НАСА. В сентябре 2007 года она была запущена для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера. Аппарат Dawn был оборудован тремя компактными ксеноновыми ионными двигателями NSTAR, которые разгоняли атомы до скорости в десять раз выше, чем могли это сделать современные химические двигатели.

Для полета Dawn требовалось в среднем 3,25 мг топлива в секунду, а на борту аппарата разместилось 425 кг ксенона. Через девять лет после запуска станция Dawn разогналась до скорости 39 900 км/час (11,1 км/с). 1 ноября 2018 года НАСА официально закончила миссию Dawn, поскольку ионные двигатели полностью выработали топливо.

Ещё одним космическим аппаратом, который использует ксеноновые ионные двигатели для дальних полётов, стала японская исследовательская станция по изучению астероида Рюгу «Хаябуса-2». Зонд оснащён четырьмя ионными двигателями IES и ксеноном массой 73 кг.

См. также

• Электрический ракетный двигатель
• Ионный двигатель
• VASIMR

Можно ли собрать плазменный двигатель своими руками

В качестве демонстрационного образца «ионного двигателя» используется достаточно простое устройство, известное среди радиолюбителей под названием «качер Бровина». С его помощью можно наблюдать эффектные коронные разряды, молнии, а также плазменные дуги. Устройство было изобретено в 1987 году советским радиоинженером Владимиром Бровиным. Оно настолько простое, что изготовить его своими руками сможет даже начинающий радиолюбитель.

Качер Бровина питается от модифицированного сетевого адаптера 12 В, 2 А, потребляет 20 Вт. Он преобразует электрический сигнал в поле частотой 1 Мгц с эффективностью 90%. Для сборки устройства также потребуется пластиковая труба 80х200 мм — на неё будут намотаны первичные и вторичные обмотки резонатора. Вся электронная часть устройства размещается в середине этой трубы. Эта схема полностью стабильна, она может работать сотни часов без перерыва.

Демонстрационный образец работы «ионного двигателя» достигается последовательным повышением напряжения, подаваемого на качер Бровина. Если схема была собрана на транзисторе КТ902А, то стример на конце иглы должен появиться на 4 вольтах. С повышением напряжения он будет возрастать. При достижении 16 вольт он превратится в визуальный аналог фантастического «репульсорного» луча, а при 18 В увеличится примерно до 17 мм. Далее под напряжением 20 В электрические разряды будут напоминать в работе настоящий ионный двигатель.

Реальная двигательная установка, обеспечивающая заметную реактивную тягу при истечении плазмы, более известна как СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА). Фактически она представляет собой собранный своими руками плазменный двигатель с небольшими по мощности характеристиками. Установка СМОЛА в целом представляет собой трубу с винтовым магнитным полем, которая заканчивается парой расширителей. Оптимальной считается комбинация из общей длины устройства (6 метров), величины магнитного поля (до 0,3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре).

Оптимизированная система СМОЛА (отмечены два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек)

Реально действующая установка СМОЛА требует наличия достаточно серьёзной техники, в составе которой требуется:

• Вакуумная система (в том числе турбомолекулярные роторные насосы), обеспечивающая давление ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы);
• Магнитная система, представляющая собой шину сечением 15 мм из твёрдой меди;
• Суперконденсаторные сборки, выдающие от 200 кДж накопленной энергии.

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из изолированных друг от друга молибденовых пластин. Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

Плазменные двигатели в эксплуатации

Хотя большинство плазменных двигателей все еще ограничено лабораториями, некоторые из них активно летали и использовались в миссиях. В 2011 году НАСА в партнерстве с аэрокосмической компанией Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2 . Двигатель был основной двигательной установкой спутника. С тех пор компания запустила еще один двигатель на эффекте Холла в 2011 году. По мере развития технологий, вероятно, увеличится время полета плазменных двигателей.

В мае 2020 года команда из Института технологических наук Уханьского университета опубликовала статью о разработанном ими прототипе плазменного струйного устройства, способного поднимать стальной шар весом 1 кг (2,2 фунта) над кварцевой трубкой диаметром 24 мм (один дюйм). Тяга, необходимая для достижения такой подъемной силы, эквивалентна относительной тяге двигателя коммерческого самолета. В конструкции сжатый воздух вводится в камеру и подвергается воздействию более 1000 градусов Цельсия и микроволн для создания ионизированной плазмы, которая затем выбрасывается для создания движения.

См. также [ править | править код ]

• Двигатель на эффекте Холла
• Магнетронное распыление
• Ядерная электродвигательная установка

Примечания

1. ↑ Большая Советская Энциклопедия, Третье издание БСЭ, 1969—1978 г.
2. ↑ Журнал Космические исследования, том XII, в.3, стр.461
3. ↑ Журнал Технической физики, том XLII, в.1, стр.54

См. также

• Стационарный плазменный двигатель

Ссылки

• Дмитрий Мамонтов Потомки повелителя ветров: Вместо сердца – плазменный мотор! (рус.) . Популярная механика (Декабрь 2005). Архивировано из первоисточника 21 марта 2012. Проверено 22 июля 2010.
• Lisa Grossman Плазменный мотор: 40 дней до Марса (рус.) . Популярная механика (27.07.09). Архивировано из первоисточника 21 марта 2012. Проверено 22 июля 2010.

Литература

• Гришин С. Д., Лесков Л. В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. — М.: Машиностроение, 1989. — 216 с. — ISBN 5-217-00595-5.
• Горшков О.А., Муравлев В.А., Шагайда А.А. ХОЛЛОВСКИЕ И ИОННЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ / Коротеев А. С.. — М.: Машиностроение, 2009. — С. 208. — ISBN 978-5-217-03440-6.

Эта страница в последний раз была отредактирована 19 августа 2020 в 09:38.

внешние ссылки

• Плазменный двигатель в космосе – AIP, октябрь 2000 г.
• Плазменный двигатель Mini-Helicon

Достоинства и недостатки

Плазменные ракетные двигатели за десятилетия своего использования зарекомендовали себя следующими преимуществами в сравнении с традиционными реактивными двигателями на «химической» тяге:

• Высокий импульс;
• Малая масса расходуемого рабочего тела;
• Малые габариты самого двигателя.

В то же время свойственные таким двигателем недостатки сводятся к главному: слишком малой тяге. Они существенно уступают по данным показателям обычным ракетным двигателям, что делает их использование крайне неэффективным. Кроме того, весьма высоки затраты энергии на ионизацию. К тому же в условиях земной атмосферы высвобождаемые ионы крайне химически активны, образуя весьма агрессивные соединения.

Таким образом, ближайшее будущее плазменных ракетных двигателей будет связано исключительно с их применением на достаточно дальних космических маршрутах и уже сложившейся ролью дополнительных двигателей на околоземных спутниках, которым требуется совершать манёвры в космосе. В последнем варианте перспективным направлением для использования ионных двигателей может стать уборка орбитального «космического мусора», проблема с которым ежегодно обостряется.

Если у вас возникли вопросы – оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Источник