Проект "Ионолёт"

Слайд 1

Слайд 2

Выполнили проект учащиеся 9В класса Михеенко Иван и Житников Илья Руководитель проекта С. М. Максимова

Слайд 3

Невозможное сегодня станет возможным завтра. К. Э. Циолковский

Слайд 4

Цели и задачи проекта Найти практическое применение аппарата Рассказать про эффект Бифельда – Брауна и узнать интересные факты из истории создания ионолёта Разобраться в устройстве электрореактивного двигателя

Слайд 5

История создания В 1920-х годах американский физик Томас Таунсенд Браун в процессе экспериментов с рентгеновскими трубками Кулиджа столкнулся с необыкновенным эффектом. Он обнаружил, что на асимметричный конденсатор, заряженный до высокого напряжения, действует некая сила, способная даже поднять такой конденсатор в воздух.

Слайд 6

История создания 5 ноября 1928 г. Браун получил британский патент № 300311 “Метод получения силы или движения”. Эффект возникновения такой силы стали называть эффектом Бифельда – Брауна, поскольку Пол Альфред Бифельд, профессор физики в университете Денисона в Гранвилле (Огайо), помогал Брауну в его экспериментах.

Слайд 7

История создания Сам изобретатель верил в то, что он открыл способ с помощью электричества влиять на гравитацию. Позднее Браун получил ещё несколько патентов, но в них какое-либо влияние на гравитацию уже не упоминалось. Однако ионные двигатели были впервые предложены еще К. Э. Циолковским задолго до Брауна.

Слайд 8

Виды ионолётов 1 — бак с рабочим веществом; 2 — насос для подачи рабочего вещества; 3 — нагреватель; 4 — испаритель; 5 — подача пара рабочего вещества; 6 — нагреватель; 7 — пористая вольфрамовая решетка; 8, 9, 10 — фокусирующий ускоряющий и выходной нейтрализующий электроды; 11 — реактор; 12 — теплообменник; 13 — радиатор; 14 — насосы; 15 — натриево-ртутный конденсатор; 16 — парортутная турбина; 17 — электрогенератор Схема силовой установки ионолета по одному из проектов советского времени

Слайд 9

Слева ионолет с дисковым зонтичным радиатором, справа — ионолет с прямоугольными радиаторами. 1 — реактор; 2 — радиатор; 3 — потоки частиц; 4 — космическая лаборатория; 5 — защитный экран (от излучения реактора); 6 — антенны Сравнительная таблица электрического и химического двигателей

Слайд 10

Конструкция летающего чуда Находясь под большим впечатлением от увиденного эффекта, мы решили построить собственный ионолёт. Наш аппарат имеет конструкцию асимметричного конденсатора, верхний электрод которого представляет собой тонкий медный провод, а нижний – пластинку из алюминиевой фольги, натянутой на тонкую деревянную раму.

Слайд 11

Конструкция Рама собирается из тонких деревянных пластинок (склеивается с помощью модельного клея). При сборке очень важно, чтобы фольга огибала планки и не имела острых “ рёбер ” , (иначе может возникнуть электрический пробой). Поскольку аппарат лишён системы управления его необходимо держать на привязи.

Слайд 12

Деревянная рама Нижний электрод (фольга) Верхний электрод (медный провод)

Слайд 13

Силовая установка В качестве силовой установки используется блок питания напряжением от 20 кВ. Положительный вывод присоединяется к верхнему электроду, отрицательный – к нижнему. К сожалению, мы можем представить Вам лишь макет устройства, так как мы не располагаем необходимым оборудованием для постройки силовой установки.

Слайд 14

Принцип работы В интернете предлагается множество объяснений по принципу работы ионолёта, однако далеко не каждое из них близко к истине. По словам Юрия Маношкина, доцента МФТИ: “В данном случае напряжённость поля у одного из электродов – верхнего тонкого провода – выше, там возникает коронный разряд, ионизирующий воздух. Ионы разгоняются в электрическом поле конденсатора по направлению ко второму электроду, создавая таким образом реактивную тягу, - образуется так называемый ионный ветер”.

Слайд 15

Принцип работы Похожее объяснение даёт Олег Батищев, с.н.с факультета аэронавтики и астронавтики MIT и разработчик геликонного плазменного двигателя: “Очень важную роль играют упругие соударения ионов и нейтралов – резонансная перезарядка и упругие соударения без передачи заряда типа газокинетических. Длина пробега на порядок меньше ионизационной, поэтому весь импульс передаётся газу, что и создаёт тягу, так как ионы движутся в направлении поля, которое задано геометрией электродов”. Разумеется, это лишь качественные объяснения эффекта, ведь физика газового разряда, плазмы и газодинамика на сегодняшний день ещё не до конца изучены. Однако, в перспективе аппарат может иметь множество вполне серьёзных применений.

Слайд 16

Принцип работы ионного двигателя Для получения электроэнергии в количестве, необходимом для работы тяговой камеры, сообщающей ионному потоку требуемую скорость и интенсивность могут быть использованы силовые установки замкнутого типа — «атомные электростанции», в которых турбина вращает электрогенератор. Можно принять, что для создания тяги всего в 1 г. понадобится источник с выходной мощностью 600-800 Вт.

Слайд 17

Принцип работы ионного двигателя В качестве рабочих веществ для ионных двигателей можно рассматривать цезий и рубидий. Эти два металла выбраны потому, что их атомы обладают сравнительно большим весом и, вместе с тем, хорошо ионизируются. Цезий по сравнению с другими щелочными металлами имеет наиболее низкую температуру плавления (35°с) и теплоту парообразования, наибольшие плотность (1,873 г/см3) и выход ионов. Cs 55 132.9025 6s 1 Цезий Rb 37 85.467 [Kr]5s 1 Рубидий

Слайд 18

Принцип работы ионного двигателя Цезий или рубидий нагреваются до испарения и поступают в ионизационную камеру, где установлена раскаленная решетка (катализатор), выполненная, например, из пористого вольфрама. При прохождении через нее атомов паров цезия от них отрываются электроны, т. е. атомы ионизируются, приобретают положительный электрический заряд. При этом число ионизированных атомов достигает почти 100%. Затем ионы разгоняются с помощью ускорителей в тяговых камерах, где господствует естественный вакуум космического пространства, до скоростей порядка 80—200 км/сек.

Слайд 19

Принцип работы ионного двигателя Поток ионов должен быть хорошо сфокусирован, чтобы они не попадали на ускоряющие электроды, так как это вызывает интенсивную эрозию — размывание электродов. Следует отметить, что, поскольку одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются, достигаемая плотность их потока существенно ограничивается. Скорость ионов зависит от напряженности поля, от природы и величины давления газа. Струя разогнанных ионов проходит вдоль разогретого электрода — эмиттера, с которого в нее стекают электроны. В результате образуется поток стремительно отбрасываемых нейтральных атомов.

Слайд 20

Принцип работы ионного двигателя Возникает вопрос, почему необходимо нейтрализовать ионы, покидающие ракету? К этому приходится прибегать ввиду следующего обстоятельства. При выбрасывании только одних положительно заряженных ионов накапливался бы пространственный заряд. Корпус аппарата очень быстро зарядился бы до такого высокого отрицательного потенциала, что дальнейшее выбрасывание ионов стало затруднительным и электрический заряд корпуса ракеты начал «всасывать» ионы обратно, внутрь ракеты. Чтобы избежать этого, ионы необходимо нейтрализовать. В конечном счете образуется поток атомов цезия, который беспрепятственно покинет ракету.

Слайд 21

Принцип работы ионного двигателя Нейтрализация ионов обеспечивает также возможность получения большей плотности струи рабочего тела, вытекающей из сопла. Следует также отметить, что при нейтрализации иона, захватывающего электрон, высвобождается примерно в 100 раз большая энергия, чем та, которая может быть получена в ходе химических реакций — наиболее эффективных в энергетическом отношении. И хотя энергия рекомбинации ионов незначительна по сравнению с энергией, приобретаемой ими при разгоне в электрических полях, она все же может быть использована для некоторого дополнительного разогрева вытекающего рабочего тела.

Слайд 22

Выводы Теоретически ионный двигатель может обеспечить очень большую удельную тягу. Однако на пути практического решения этой задачи возникают серьезные затруднения. Как уже отмечалось, удельная тяга прямо пропорциональна скорости ионов. В то же время мощность, необходимая для разгона струи ионов, и вместе с нею вес энергосиловой установки возрастают примерно пропорционально квадрату скорости ионов. Очевидно, что за увеличение удельной тяги потребуется расплачиваться существенным увеличением веса энергосиловой установки и ее усложнением.

Слайд 23

Выводы Другой возможный путь увеличения удельной тяги заключается в использовании мощности ускорителей для разгона все меньшего количества частиц-ионов, т. е. за счет все большего уменьшения абсолютной тяги. Эта тенденция ясно видна в развитии мощных земных ускорителей, в которых общая сила тока, образованного пучком разогнанных частиц (каждой из них удается сообщить все большую энергию), как это ни парадоксально, уменьшилась в установках 1958 г., по сравнению с установками 1940 г., в миллион раз.

Слайд 24

Выводы С приближением скорости ионов к скорости света все интенсивнее будет возрастать их масса, а значит и мощность ускорителей, необходимых для разгона. Это практически и ограничивает удельную тягу ионных двигателей. Высказываются соображения, согласно которым удельные тяги, достижимые при приемлемых весах установок и привычных нам преобразователях тепла в электрическую энергию, могут составить до 20 тыс. кг/кг·сек. Однако скорости истечения не всегда должны быть самыми большими. Для выполнения каждой задачи, в зависимости от схемы и назначения космического корабля, может быть найдена наиболее выгодная скорость истечения.

Слайд 25

Выводы и практическое применение Итак, какое же применение можно найти ионолёту? На самом деле вариантов множество: ионолёт – дальний родственник ионных двигателей, устанавливаемых на некоторые современные космические аппараты. Кроме того, сегодня уже ведутся разработки в области авиастроения и медицины с применением похожих устройств (аэродинамический обтекатель и рентгенография). Одним словом, у ионолёта впереди большое будущее!

Слайд 26

Спасибо за внимание! Мы искренне надеемся, что Вы узнали для себя много интересного и полезного из нашего проекта, и что Вы будете с нетерпением ожидать постройки нами действующей модели ионолёта!

Слайд 27

Материалы для проекта взяты С интернет – ресурсов http://www.popmech.ru http://ru.wikipedia.org А также со страниц журнала “ Популярная Механика ” № 4 (90), апрель 2010 и книги Боба Яини "Удивительные электронные устройства. Электроника для начинающего гения"