Модель плазменного двигателя

Идеи покорения космоса занимают сейчас умы людей всех возрастов. Не могли остаться в стороне от космической темы и юные сотрудники лабораторий физического опыта Клуба юных техников СО АН СССР. Предметом их изучений стали плазменные и ионные двигатели, применяемые для ориентации космических аппаратов на орбите… правда, пока только в произведениях фантастов.

Изготовить действующую модель плазменного двигателя задумали восьмиклассники Леонид Клем-юрий и Мусатов Торшенов.

В ракетном двигателе для того чтобы рода трудится реактивная сила плазменной струи, вытекающей из сопла, а плазма создается электрическим разрядом. Дабы источник питания двигателя модели оказался не весьма сложным и не громоздким, парни выбрали импульсный режим работы.

Источником энергии служил конденсатор С емкостью 0,5 мкф, напряжением 10 кВ, что заряжался 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 разрядкой токоподводящего коллектора и камеры (рис. 2). Когда напряжение на конденсаторе достигнет величины пробоя этих промежутков, появляется электрический разряд в камере двигателя. Воздушное пространство, находящийся в том месте, под действием разрядного тока нагревается до температуры около 10000° К и переходит в состояние плазмы.

Наряду с этим давление в камере быстро возрастает И плазменная струя через сопло с громадной скоростью вытекает наружу. Реактивная сила плазменной струи передается модели ракеты, соединенной с двигателем. Чтобы вращение было мягким, ракета крепится ка оси через шариковый подшипник и уравновешивается противовесом. самый сложный электрический узел установки — токоподводящий коллектор.

Зазоры между стационарными кольцевыми электродами и подвижными штыревыми должны быть 0,2—0,5 мм. Это обеспечит минимум утрат мощности при передаче ее от конденсатора и не создаст дополнительного трения при вращении ракеты.

Рис. 1. Принципиальная схема источника питания плазменного двигателя.

Размеры ракет и соответственно всей установки смогут быть разными, но количество разрядной камеры должен быть соразмерным с мощностью источника и величиной конденсатора питания. Чтобы юные конструкторы имели возможность сами рассчитывать главные узлы установки и сконструировать собственную модель ракеты, ниже приводится упрощенная схема расчета нужной мощности.

Главным отправным положением есть то, что газ в разрядной камере двигателя должен быть нагрет до t=8—10°К, Это разрешает оценить энергию одного разряда:

E=V?СV (Т — Т0). (I)

Коэффициент нужного действия установки, определяемый наличием подводящих зазоров и проводов в токовом коллекторе, возможно принять равный 0,6, Тогда энергия, запасенная в конденсаторе, равна:

Е =CV2/2 = V?Сv (Т — Т0)/0,6 (II)

По формуле возможно вычислить величину емкости конденсатора С, в случае если знать, чему равна напряжение на нем U.

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

U = К·103·dB.

Тут d — суммарный зазор, выраженный в сантиметрах. K1 равняется 20, в случае если внутренний электрод отрицательный и К2 равен 14, если он хороший.

Приведенных формул достаточно, дабы сделать отечественный несложный расчет. Добавим еще, что в случае если камера имеет цилиндрическую форму, то количество ее равен:

V = ?r2·l,

а площадь сопла в минимальном сечении должна быть равна приблизительно 0,20 r2.

Условные обозначения в формулах:

Е — энергия разряда, Дж;

V — количество, см3;

r — радиус камеры, см;

l — протяженность камеры, см;

? — плотность воздуха при обычных условиях, ?=0,129 10-3 г/см3;

Сv — теплоемкость воздуха при постоянном количестве (для отечественных расчетов возможно принять Сv =8 Дж/г. град.);

Т — Т0 — температура, до которой нагревается газ; Т0 — обычная температура окружающей среды, равная приблизительно 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 заберём равной 0,5-10-6Ф, тогда Ес по второй формуле составит 9 Дж, а энергия, выделяемая в камере модели двигателя, Е=5,4 Дж.

Отличие температур заберём равной 10000° К. Из (I) приобретаем величину количества камеры V?0,50 см3. Полагая r=d—0,025 : 2 = 0,4 см, приобретаем 1 = 1 см, а диаметр сопла 1,8 мм. Элементы электрической схемы для данного, конкретного случая следующие: повышающий трансформатор 220X5000 В мощностью 200 Вт, резистор R5 — проволочный мощностью 100 Вт.

Рис. 2. Конструкция установки для демонстрации работы плазменною двигателя:

1 — подвижные штыревые электроды, 2 — противовес, 3 — ось, 4 — модель ракеты, 5 — разрядная камера, 6 — сопло, 7 — шариковый подшипник, 8 — стационарные кольцевые электроды.

Обрисовываемая нами модель относится к разряду установок с рабочим напряжением выше 1000 В, исходя из этого нужно проявлять особенную осторожность при работе с ней и выполнять правила техники безопасности. Напомним главные из них.

В первую очередь нельзя запускать модель без наблюдения начальника кружка либо учителя. Запуск обязан создавать один человек, остальные находятся на расстоянии не меньше 1 м от установки. Создавать какие конкретно бы то ни было операции с моделью и касаться ее возможно лишь по окончании полного отключения установки от сети питания (выдернуть вилку шнура питания из розетки) и по окончании истечения 1 мин.

За это время конденсатор С1 всецело разряжается через шунтирующие резисторы R1—R4. И еще одно замечание: величину R5 направляться выбирать таковой, дабы зарядный ток был меньше 60 мА. Источник питания установки должен быть помещен в закрытый железный корпус, что при работе заземляется бронзовым проводом в изоляции диаметром не меньше 1,5 мм.

В.

ФОМИЧЕВ, г. Новосибирск

Случайные записи:

• Подарок к первому старту
• Таймерная в стиле «ретро»

ДВИГАТЕЛИ БУДУЩЕГО

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Силовые установки моделей кораблей

  БАЗЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. Как мы знаем, любая самоходная модель, будь то модель самолета, корабля либо автомобиля, имеется машина, и, значит, существующие для…

• Модель авиадвигателя -это реально!

  Моделисты — народ скрупулёзный, и очень ценят, в то время, когда модель-копия самолёта, корабля либо танка не только максимально сходна с прототипом, но…

• Таймерная модель вертолета

  В авиамодельных кружках Дома пионеров Коминтерновского района, на облСЮТ и в харьковской школе № 112 в течение нескольких лет ведутся работы над соосными…

• Парадокс легкой модели

  «Самая заветная мечта — высота, высота…» Так поется в известной песне о летчиках. Высота — заветная мечта и моделистов-ракетчиков, в каком бы классе…