Плазменный двигатель

Идеи покорения космоса с древних времен занимают умы людей всех возрастов. В советские времена в секретных лабораториях физико-технического СО АН СССР проводились исследования и эксперименты в разработке плазменных и ионных двигателей, для использования в ориентации космических аппаратов на орбите... Я привожу здесь описание действующей модели плазменного двигателя.

В ракетном двигателе такого рода работает реактивная сила плазменной струи, вытекающей из сопла, а плазма создается электрическим разрядом. Чтобы источник питания двигателя модели получился не очень сложным и не громоздким, можно выбрать импульсный режим работы. Источником энергии служит конденсатор С емкостью 0,5 мкф, напряжением 10 кВ, который заряжается от высоковольтного трансформатора через диоды V1—V4 и резистор R5 (рис. 1).

Принцип действия установки следующий. Напряжение, до которого заряжается конденсатор, определяется величиной зазора между электродами разрядной камеры и токоподводящего коллектора (рис. 2). Как только напряжение на конденсаторе достигнет величины пробоя этих промежутков, возникает электрический разряд в камере двигателя. Воздух, находящийся там, под действием разрядного тока нагревается до температуры около 10000°К и переходит в состояние плазмы. При этом давление в камере резко возрастает и плазменная струя через сопло с большой скоростью вытекает наружу. Реактивная сила плазменной струи передается модели ракеты, соединенной с двигателем. Для того чтобы вращение было мягким, ракета крепится на оси через шариковый подшипник и уравновешивается противовесом. Наиболее сложный электрический узел установки — токоподводящий коллектор. Зазоры между стационарными кольцевыми электродами и подвижными штыревыми должны быть 0,2—0,5 мм. Это обеспечит минимум потерь мощности при передаче ее от конденсатора и не создаст дополнительного трения при вращении ракеты. Размеры ракет и соответственно всей установки могут быть различными, однако объем разрядной камеры должен быть соразмерным с величиной конденсатора и мощностью источника питания. Для того чтобы конструктивно рассчитывать основные узлы установки и сконструировать свою модель ракеты, ниже приводится упрощенная схема расчета необходимой мощности.

Основным отправным положением является то, что газ в разрядной камере двигателя должен быть нагрет до t = 8—10°K. Это позволяет оценить энергию одного разряда:

Коэффициент полезного действия установки, определяемый наличием подводящих проводов и зазоров в токовом коллекторе, можно принять равным 0,6. Тогда энергия, запасенная в конденсаторе, равна:

По формуле можно рассчитать величину емкости конденсатора С, если знать, чему равно напряжение на нем U.

Чтобы оценить величину U₁, вспомним, что она определяется электрическим пробоем разрядного промежутка модели. Процесс пробоя в воздухе зависит от целого ряда параметров: влажности воздуха, состояния поверхности и полярности электродов, формы внешнего и внутреннего электродов разрядной камеры и т.д. Приближенно можно считать, что

Здесь d — суммарный зазор, выраженный в сантиметрах. К¹ равняется 20, если внутренний электрод отрицательный и К₂ равен 14, если он положительный. Приведенных формул достаточно, чтобы сделать наш несложный расчет. Добавим еще, что если камера имеет цилиндрическую форму, то объем ее равен:

а площадь сопла в минимальном сечении должна быть равна примерно 0,20 г².

Условные обозначения в формулах:
Е — энергия разряда, Дж;
V — объем, см³;
г — радиус камеры, см;
1 — длина камеры, см;
— плотность воздуха при нормальных условиях, Q = 0,129 • 10^-3 г/см³;
Сv — теплоемкость воздуха при постоянном объеме (для наших расчетов можно принять Cv = 8 Дж/г. град.);
Т—Т₀ — температура, до которой нагревается газ;
Т_о — нормальная температура воздуха, равная примерно 300°К;
С — емкость конденсатора, Ф;
U — напряжение зарядки конденсатора, В.

Приведем примерный расчет. Зададим напряжение U = 6000 В, тогда из третьей формулы d = 0,45 см. Емкость конденсатора возьмем равной 0,5 • 10^-6 ф, тогда Е_c по второй формуле составит 9 Дж, а энергия, выделяемая в камере модели двигателя, Е = 5,4 Дж. Разницу температур возьмем равной 10000°К. Из (I) получаем величину объема камеры V 0,50 см³. Считая r = d – 0,025 : 2 = 0,4 см, получаем 1 = 1 см, а диаметр сопла 1,8 мм. Элементы электрической схемы для данного, конкретного случая следующие: повышающий трансформатор 220х5000 В мощностью 200 Вт, резистор R5 — проволочный мощностью 100 Вт.

Описываемая нами модель относится к разряду установок с рабочим напряжением выше 1000 В, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при работе с ней и соблюдать правила техники безопасности. Напомним основные из них.

Запуск модели должен производить один человек, остальные находятся на расстоянии не менее 1 м от установки. Производить какие бы то ни было операции с моделью и касаться ее можно только после полного отключения установки от сети питания (выдернуть вилку шнура питания из розетки) и после истечения 1 мин. За это время конденсатор С1 полностью разряжается через шунтирующие резисторы R1—R4. И еще одно замечание: величину R5 следует выбирать такой, чтобы зарядный ток был меньше 60 мА. Источник питания установки должен быть помещен в закрытый металлический корпус, который при работе заземляется медным проводом в изоляции диаметром не менее 1,5 мм.

Естественно, если вы решите сконструировать себе настоящую ракету, то и мощность плазменного двигателя надо будет увеличить в несколько тысяч раз. Но при желании – это возможно !!!

Рис. 1. Принципиальная схема источника питания плазменного двигателя.

Рис. 2. Конструкция установки для демонстрации работы плазменного двигателя:
1 — подвижные штыревые электроды,
2 — противовес,
3 — ось,
4 — модель ракеты,
5 — разрядная камера,
6 — сопло,
7 — шариковый подшипник,
8 — стационарные кольцевые электроды.

http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.