موتور جتی که برق را مستقیم به رانش تبدیل میکند

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1016

سپاس: 677

جنسیت:

تماس:

موتور جتی که برق را مستقیم به رانش تبدیل میکند

پست توسط rohamjpl »

آیا موتور الکتریکی می تواند عملکردی مشابه موتورهای جت در هواپیماهای فعلی داشته باشد؟موتور الکتریکی دو برابر قطعاتی که جایگزین می شود سنگین خواهد بود. هنوز باید کارهایی انجام شود تا بتواند برتری خود را نسبت به موتورهای جت فعلی به دست آورد ،موتورها همانطور که هستند عالی هستند. موتورهای برقی می توانند سریع ، قدرتمند و موثر ترباشند. من دو مشکل می بینم:
اول - مقدار زیادی انرژی مصرف شده توسط هواپیمای تجاری. با داشتن یک موتور 200 کیلو نیوتن نیاز به یک نیروگاه کوچک متصل به هواپیما دارید. حتی باتری ها نیز 100٪ موثرتر بوده و می توانند انرژی کافی را ذخیره کنند ، برای شارژ مجدد آنها باید مقدار بیشتری سوخت بسوزانید (برای انطباق با انرژی داده شده به مقدار زیادی منابع جایگزین انرژی نیاز دارید).
دوم - همه چیز در مورد چگالی انرژی است. سوخت جت دارای 34 MJ/l ، باتری تا 120 Wh/kg = 0.36MJ/kg . بنابراین شما برای ذخیره همان مقدار انرژی به بیش از 100 برابر فضای بیشتر نیاز دارید.
تراسترهای الکترواستاتیک
اصطلاح "نیروی الکتریکی" در مورد موتورها می تواند معانی چندی داشته باشد ، اما نزدیک ترین چیزی که در حال حاضر در پروازهای فضایی به یک "موتور الکتریکی" خالص داریم ، محرک های الکترواستاتیک هستند. اینها اساساً از برق برای تغذیه الکترومغناطیس هایی استفاده می کنند که ذرات باردار را با سرعت فوق العاده برای تولید نیروی رانش به عقب برمی گردانند (برخی به سرعت خروجی 30 کیلومتر بر ثانیه می رسند).
دلیل اینکه ما نمی توانیم از زمین پرتاب کنیم این است که این نیروها نیروی رانشی اندازه گیری شده در میلی واتون را تولید می کنند. موتورهای موشکی معمولی در محدوده صدها کیلونوتون رانش تولید می کنند - 100 میلیون بار بیشتر.
شما نمی توانید یک گیره کاغذی را با یک پیشران الکترواستاتیک از زمین بلند کنید ، چه برسد به یک موشک.
اما آنها کاربردهای خود را دارند:
یک نوع پیشرانه الکترواستاتیک که به عنوان موتور یونی شناخته می شود برای استفاده در کاوشگرهای عمیق بسیار محبوب است. ترکیبی از وسایل نقلیه نسبتاً سبک و توانایی شلیک مداوم موتور برای هفته ها یا ماه ها در یک زمان به این معنی است که موتورهای یونی می توانند فوق العاده موثر باشند.
نکته دیگری که باید به آن توجه شود این است که فناوری پیشرانه الکتریکی فعلی ما تقریباً در یک جو بی اثر است - نیروی محرکه و کارایی قابل دستیابی به مراتب بدتر از خلا است.VASIMR
Rocket Magnetoplasma Range Variable Specific Impulse در حال توسعه و آزمایش است. این دستگاه در دسته ای به نام موتورهای محرک پلاسما شناخته می شود و می تواند کارآیی خود را به عنوان یک معامله با نیروی محرکه (فشار کم ، ضربه خاص ، یا ضربه نسبتاً زیاد ، ضربه کم خاص) تغییر دهد.
داده ها نشان می دهد که می تواند نیروی محرکه ای را به ترتیب نیوتن با راندمان مشابه موتورهای یونی تولید کند. اگر این فناوری به واقعیت تبدیل شود ، پتانسیل عظیمی برای پروازهای فضایی مداری و بین سیاره ای دارد
تنها چیزی که می تواند به سوال پاسخ دهد و پاسخ مثبتی داشته باشد ، منجنیق الکترومغناطیسی است. این یک لوله تخلیه شده است ، به طور معمول صدها کیلومتر طول ، که در آن از میدان مغناطیسی برای تسریع بار (که می تواند موشک باشد) برای فرار از سرعت (یا کمی سریعتر به منظور از دست دادن انرژی ناشی از مقاومت هوا پس از خروج از آن استفاده می شود. تونل) انتهای تونل به طور معمول در قله کوه قرار دارد تا تونل بتواند در آخرین مایل خود به سمت بالا خم شود و مقاومت هوا را کاهش دهد. چنین چیزی تا به حال ساخته نشده است
رانش موتور
موتورهای یونی و VASIMR فاقد نیروی مورد نیاز برای پرتاب موشک هستند. VASIMR ممکن است برای پرتاب از سیارک ها کافی باشد ، موتورهای یون فعلی حتی اینطور نیست. با این حال ، موتورهای الکتریکی دیگری نیز وجود دارد: resistojets و arcjets. در حالی که برای پرتاب موشک مورد مطالعه قرار نگرفته است ، اما از لحاظ نظری می توانند نیروی لازم برای موشک را داشته باشند. آنها در اصل مانند موتورهای حرارتی هسته ای عمل می کنند: به جای یک واکنش شیمیایی ، یک پیشرانه بی اثر را با نیروی خارجی گرم می کنند. از نظر تئوری می تواند به سرعت خروجی بالاتری نسبت به هسته ای-حرارتی برسد ، در واقع به آن ISP بهتر می دهد-با این حال این اغلب به معنی نیروی کمتری است و انجام موشک پرتاب هسته ای-حرارتی در حال حاضر دشوار است.
از سوی دیگر ، مشابه هسته ای-حرارتی که می توان به عنوان تنفس کننده هوا استفاده کرد ، آنها نیز می توانند باشند. باز هم ، انجام آن دشوار است ، برخلاف Skylon ، اما شدنی و از نظر تئوری با عملکردهای خوب - اگر می توانید مشکل دوم را نیز حل کنید.
منبع انرژی
مشکل موتورهای الکتروترمال این است که به انرژی زیادی احتیاج دارند. با توجه به معادله قدرت موشک ، برای یک قدرت معین ، رانش با سرعت خروجی متناسب است. این موتورها برای خروجی بهتر از سرعت خروجی بالا استفاده می کنند ، بنابراین برای داشتن نیروی کافی برای پرتاب ، به نیروی بسیار بسیار بیشتری نیاز دارند. موتورهای یونی مثال شدیدتری در این زمینه هستند. افراط منطقی یک موشک فوتون خواهد بود.
بدیهی است که انرژی شیمیایی در حال اتمام است: شما به دلیل تلفات ، حتی انرژی کمتری نسبت به موتورهای شیمیایی خواهید داشت و همچنان جرم باتری های خالی را برای جابجایی در اختیار خواهید داشت. حتی باتری های الکترومغناطیسی ابررسانا نیز کمک چندانی نمی کنند ، زیرا این باتری ها با استفاده از انرژی اتصال شیمیایی محدود می شوند (برای جلوگیری از انفجار شیر برقی تحت نیروهای لورنتز).
بنابراین شما به یک راکتور هسته ای با چگالی بسیار بالای انرژی نیاز دارید. توجه داشته باشید که در حالی که می توانید به دمای بالاتری برسید (حرارت هسته ای محدود به دمای "ذوب نشوید راکتور") و در نتیجه سرعت خروجی و Isp است ، به رادیاتورهای بزرگ و احتمالاً داغ داغ برای تخلیه گرمای اضافی از ژنراتور هسته ای نیاز دارید. می توانید از مقداری از آن برای پیش گرم کردن پیشرانه استفاده کنید ، اما طبیعتاً نه همه آن (یا به هر حال اساساً موتور حرارتی هسته ای دارید).
یک گزینه دیگر این است که یک لیزر یا میزر با نیروی الکتریکی در زمین (یا در مدار) داشته باشید ، که انرژی را از طریق پرتو به موشک منتقل می کند. در بیشتر موارد ، مستقیماً پیشرانه را گرم می کند (که باز هم ، می تواند هوا باشد در جو). چند طرح باعث شده است که این وسیله نقلیه دوباره به برق تبدیل شود ، اما این بیشتر برای تقویت یک هلیکوپتر است ، نه یک موشک.
مزیت آن این است که این صنایع دستی ارزان تر ، سبک تر و عملکردهای خوبی دارند. نقطه ضعف آن نیاز به تاسیسات بزرگ خارجی است که همسایه شما ممکن است آن را به عنوان سلاح بداند. بعداً ، برخی نیز این را یک مزیت می دانند.
موتور محرک پلاسما نوعی پیشرانه الکتریکی است که نیروی محرکه را از یک پلاسمای شبه خنثی تولید می کند. این در مقایسه با موتورهای رانشگر یون است که از طریق استخراج جریان یونی از منبع پلاسما ، نیروی رانشی ایجاد می کند ، که سپس با استفاده از شبکه/آند به سرعت های بالا شتاب می گیرد. اینها به اشکال مختلف وجود دارد (به پیشرانه الکتریکی مراجعه کنید). با این حال ، در ادبیات علمی ، اصطلاح "پیشرانه پلاسما" گاهی اوقات راننده هایی را شامل می شود که معمولاً به عنوان "موتور یون" تعیین می شوند.
رانشگرهای پلاسما معمولاً از شبکه های ولتاژ بالا یا آند/کاتد برای تسریع ذرات باردار در پلاسما استفاده نمی کنند ، بلکه از جریانها و پتانسیلهایی که به صورت داخلی برای تسریع یونها ایجاد می شود ، استفاده می کنند و در نتیجه عدم وجود ولتاژهای شتاب زیاد ، سرعت خروجی کمتری ایجاد می شود. به
این نوع راننده دارای مزایای متعددی است. فقدان شبکه های ولتاژ بالا از آندها ، عنصر محدود کننده احتمالی را در نتیجه فرسایش یون شبکه حذف می کند. اگزوز پلاسما "شبه خنثی" است ، به این معنی که یونها و الکترونهای مثبت در تعداد مساوی وجود دارند ، که به نوترکیبی ساده یون و الکترون در اگزوز اجازه می دهد تا ستون خروجی را خنثی کرده و نیاز به تفنگ الکترون (کاتد توخالی) را برطرف کند. چنین پیشرانه ای اغلب با استفاده از فرکانس رادیویی یا انرژی مایکروویو ، با استفاده از آنتن خارجی ، پلاسما منبع را تولید می کند. این واقعیت ، همراه با عدم وجود کاتدهای توخالی (که به همه گازهای نجیب حساس هستند) ، امکان استفاده از این پیشرانه را در انواع پیشرانه ها ، از آرگون تا مخلوط های دی اکسید کربن تا ادرار فضانوردان ، فراهم می کند.
موتورهای پلاسما برای مأموریت های بین سیاره ای [مبهم] مناسب ترند.
رانشگر یون
اما این در واقع با یک موشک شیمیایی نیز امکان پذیر است. جان دی کلارک در کتاب خود! احتراق ، داستانی را در مورد اینکه چگونه جیوه به طور جدی به عنوان بخشی از سوخت به منظور افزایش ضربه چگالی موشک در نظر گرفته شد ، بیان می کند و ISP را با delta-v معامله می کند. این امر حاصل می شود زیرا می توانید پیشرانه بیشتری را در مخازن مشابه قرار دهید. Delta-v سپس محاسبه می شود:
$\Delta v=ln\left(\frac{m_0+V*\rho}{m_0}\right)v_e$
جایی که m0 جرم خشک موشک است ، V حجم مخزن ، ρ چگالی پیشرانه و ve سرعت خروجی است.
در مورد بادبان خورشیدی ، نه منبع انرژی دارد و نه هیچ پیشران. توجه داشته باشید که برای افزایش رانش می توانید لیزری را روی بادبان قرار دهید.
پیشران حرارتی با لیزر خارجی نیز ممکن است یک مفهوم عملی باشد ، زیرا می توانید کارایی مشابه NTR را داشته باشید ، اما نیازی به حمل یک راکتور سنگین در اطراف ندارید. چندین مفهوم برای این امر در اینجا یافت می شود. همچنین دمای گازهای خروجی دیگر نقطه ذوب عناصر سوخت راکتور هسته ای را محدود نمی کند.
یک موشک شیمیایی در واقع فقط یک مورد خاص است ، جایی که سوخت و پیشران یکسان هستند. برای مثال در موتور جت ، سوخت همراه نصف منبع انرژی است و اکسید کننده از هوا جمع آوری می شود. هوای عبوری از موتور نیز پیشرانه مورد استفاده است.I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست