VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Ионные реактивные двигатели нашли широкое применение в космических аппаратах для разгона их в открытом космосе. Этому типу двигателя в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — космический аппарат «Deep Space 1» смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Однако механизм работы таких двигателей крайне мало изучен. Они обладают бо́льшим КПД по сравнению с химическими и ядерными ракетными двигателями, поэтому можно считать, что ионный двигатель – двигатель будущего. В связи с этим, исследование данной темы является актуальным и позволит сделать шаг в развитии потенциала ионных двигателей.

Постановка целей

• Исследование модели ионного двигателя;

• Выбор оптимальной формы ионной вертушки по критерию КПД.

Исследование

1. Разработка генератора Ван де Граафа

Для запуска ионной вертушки требуется высоковольтный источник постоянного или переменного напряжения. Было решено использовать генератор Ван де Граафа. Его преимущество заключается в том, что он способен создавать достаточно большие значения электростатических потенциалов при относительно простой конструкции.

Генератор Ван де Граафа — генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Впервые был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году.

Лабораторная модель генератора Ван де Граафа, схема которого представлена на рисунке 1, состоит из диэлектрической ленты (4), вращающейся на роликах (3) и (6), верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и заземлен. Верхний ролик вместе с лентой заключён в металлическую сферу (1). Два электрода (2) и (5), в виде щеток, находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод (2) соединён с внутренней поверхностью сферы (1). Через щетку (5) воздух ионизируется от источника напряжения (7). Образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона перемещаются к заземлённому (6) ролику и оседают на ленте. Движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы (1), где он снимается щёткой (2). Под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы, в результате чего происходит накапливание электрического заряда. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы. Лабораторная модель генератора Ван де Граафа, собранная автором, представлена на рисунке 2.

В ходе проведения исследования был измерен максимальный потенциал проводящей сферы генератора Ван де Граафа. Его величина равна 300 кВ.

1. Исследование модели ионного двигателя

В качестве модели ионного двигателя в исследовании использовалась ионная вертушка. Ионная вертушка – это лабораторное устройство, ставшее предметом споров на протяжении двух столетий. В учебной физической лаборатории иногда демонстрируют вертушку, которая приводится в движение подключением ее к высоковольтному источнику напряжения. Вращение вертушки обуславливается тем, что воздух вблизи ее острия ионизируется. В сильном электрическом поле образовавшиеся ионы и острие оказываются заряженными одинаково и отталкиваются. Ионная вертушка представляет собой изогнутую тонкую проволоку, одетую на ось из более толстой медной проволоки, подключенную к высоковольтному источнику питания. Вертушка, использованная в исследовании, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Экспериментальная трехлопастная ионная вертушка

Для проведения эксперимента было сконструировано 3 типа вертушек: Р-, Г- и S-образная. 3 исследуемых типа вертушек представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Исследуемые формы вертушек: Р-образная форма (а), Г-образная форма (б), S-образная форма (в).

Условные обозначения

1. Для Р-образной формы: R – радиус кривизны [мм].

2. Для Г-образной формы: Lr – рабочая длина вертушки [% от общей длины]; Lp – длина плеча вертушки [% от общей длины]; Lr+Lp – общая длина вертушки [мм].

3. Для S-образной формы: Ls – длина вертушки до изгиба [% от общей длины]; Lsr – рабочая длина вертушки [% от общей длины]; Ls+Lsr – общая длина вертушки [мм].

Выбор оптимальной формы вертушки осуществлялся по критерию КПД вертушки, то есть по максимальному количеству оборотов (N), которое способна совершить вертушка при подаче на нее напряжения от генератора Ван де Граафа U = 300 кВ в течение 20 секунд. Результаты экспериментов Р -, Г- и S - образных вертушек представлены в таблицах 1, 2, 3, соответственно.

Таблица 1 – Результаты эксперимента Р - образной ионной вертушки.

R, мм	0	6	10	15	20	25
	0	16	20	19,5	17,5	15

Таблица 2 – Результаты эксперимента Г - образной ионной вертушки.

Lr , %	0	11,11	16,67	22,22	27,78	33,33	38,89	44,5	55
	0	21.5	25	25.5	24	21.5	18	13	0

Таблица 3 – Результаты эксперимента S - образной ионной вертушки.

Lsr , %	0	11,11	16,67	22,22	27,78	33,33	38,89	44,5	55
	0	17	20	20,5	19	17	14,5	10	0

1. Выбор оптимальной формы ионной вертушки

По результатам экспериментов нами построены зависимости количества оборотов от геометрических размеров различных типов ионных вертушек в среде MathCAD, которые представлены на рисунке 5. Черным цветом изображен график S-образной, синим – Г-образной, а красным – Р-образной вертушки.

Рисунок 5 – График зависимостей скоростей вращения от форм (от радиуса кривизны и рабочей длины) трех ионных вертушек: Р-образная форма; Г-образная форма; S-образная форма.

Как видно из графиков, наибольшую угловую скорость за 20 секунд набирает S-образная вертушка, а наименьшую – Р-образная, следовательно, наиболее оптимальной по форме является ионная вертушка S-образной формы. Следует отметить, что переход от плеча к рабочему участку вертушки должен быть максимально плавным, а ее конец направлен по касательной к траектории движения.

Вывод

1. В ходе исследования автором были разработаны лабораторные модели:

• генератора Ван де Графа, способный генерировать напряжение до 300 кВ;

• 3 типа ионных вертушек различной формы: Р-образная; Г-образная; S-образная.

1. В результате экспериментального исследования трех типов вертушек по критерию КПД (максимальное количество оборотов в течение 20 секунд) была выбрана оптимальная форма ионной вертушки – S-образная форма.

Список литературы

1. Савельев И.В. Савельев И.В. Курс общей физики. В 5-и томах. Том 2. Электричество и магнетизм - Лань, 2011.

2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Высш. шк., 1984. — 559 с.

Код для цитирования: Скопировать