Frage:
Warum benötigen Ionenstrahlruder so hohe Spannungen, haben aber relativ niedrige Ströme?
joshglen
2016-12-30 04:14:44 UTC
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Ich habe viel über diese Art von Triebwerken geforscht, und sie scheinen alle eine relativ große Spannung, aber niedrige Ströme zu erfordern.Ich sehe, dass sie einen geringen Schub pro Watt Leistung erzeugen, aber im Allgemeinen scheint es, dass es normalerweise Kilovolt und Mikroampere oder etwas in dieser Richtung gibt.Ich weiß, dass der Widerstand aus diesem Grund hoch ist, aber ein Teil meiner Frage ist, warum der Widerstand überhaupt hoch sein muss.

Ich denke, es basiert auf dem Prinzip der Ionisierung eines Treibmittels mit HF-Impulsen, das im Vakuum offen ist, bevor der Lichtbogen des Plasmas über das Abgas magnetisch beschleunigt wird.Mit 1 ~ 10 kW HF-Impulsen wird das Plasma zu einem negativen Differenzwiderstand, der teilweise leitend genug ist, um magnetisch gerichtet zu werden, um einen Schub zu erzeugen.(Ich denke .. aber es gibt viele Arten) In einem Vakuum aufgrund von Paschen's_law erfordert es ein außergewöhnlich hohes V-Feld [xxx kV / mm]
Ich denke, Ionentriebwerke schießen ein paar Elektronen und positive Ionen wirklich sehr schnell in den Weltraum, um Schub zu erzeugen.Ich denke, nur wenige (Millionen pro Sekunde) werden abgeschossen, so dass die Strömung sehr niedrig ist.Aber die Geschwindigkeit ist sehr groß.Dafür brauchen Sie sicher eine große Menge an Spannung.Das Gesetz ist V = IR. Wenn also die Spannung hoch und der Strom niedrig ist, muss der Widerstand sehr hoch sein.
Der Widerstand ist hoch, weil die Spannung hoch und der Strom niedrig ist.Das Ohmsche Gesetz ist die * Definition * des Widerstands.
Einer antworten:
Brian Drummond
2016-12-30 06:12:22 UTC
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Denken Sie einen Moment nach: Teilchenenergien werden in Elektronenvolt gemessen.

Um die Energieabgabe zu erhöhen, müssen Sie entweder die Anzahl der Elektronenladungen (d. h. die Anzahl der Ionen) erhöhen oder sie über eine höhere Spannung beschleunigen.

Und Tsiolkovskis Raketengleichung macht deutlich, dass Sie der kleinstmöglichen Masse die höchste Geschwindigkeit (also die meiste Energie) verleihen möchten. Dies gibt Ihnen den höchsten spezifischen Impuls aus einer bestimmten Reaktionsmasse, vorausgesetzt, Sie können die elektrische Energie irgendwie erzeugen.

Wenn Sie dies zusammenfassen, ist der Ionenstrom für eine bestimmte Energie so niedrig wie möglich, und dies bedeutet bei Verwendung elektrostatischer Beschleunigung die Verwendung der höchsten praktischen Spannung.

(Selbst wenn die Beschleunigung magnetisch ist, wird die endgültige Teilchenenergie in eV gemessen und der Strom im Mikroamperebereich emittiert, obwohl die Beschleunigungsspulen Niederspannungs- und Hochstromvorrichtungen sein können.

Im Gegensatz zu einer chemischen Rakete, bei der Energiequelle (Kraftstoff) und Reaktionsmasse (Verbrennungsprodukte) eng miteinander verbunden sind, ist die Energie pro Partikel von der Natur des Partikels selbst getrennt und daher möglicherweise unbegrenzt. Aus diesem Grund können Ionenantriebe einen viel höheren spezifischen Impuls liefern.

Es ist keine Raketenwissenschaft ...

BEARBEITEN: Nayukis Kommentar unten fügt einen weiteren Teil des Bildes hinzu: Dieser Prozess ist tatsächlich weniger energieeffizient; Wenn Sie die Masse reduzieren, müssen Sie die Energie pro Impulseinheit erhöhen, die dem Schiff verliehen wird.

Die Tyrannei der Raketengleichung bedeutet jedoch (in enger Annäherung), dass dies keine Rolle spielt. Energie ist billig, (solare oder nukleare) Reaktionsmasse ist teuer, wenn Sie nicht mehr in der Atmosphäre sind, weshalb Sie riesige Tanks davon benötigen.

Dies erklärt einige der Aufregung über reaktionsmassenlose Laufwerke wie den EM Drive oder den Cannae Drive trotz ihrer (bisher) ) monumental niedriger Schub.

Der Rest der Aufregung scheint auf ihrer Unfähigkeit zu beruhen, die bekannten Regeln der Physik zu befolgen, trotz der besten Bemühungen der Peer Reviewer, experimentelle Fehler zu beseitigen ...

Hinweise:

  1. Ich habe den Verdacht, dass sich die Reaktionsmasse aus Photonen zusammensetzt. aber das scheint als Teil von einem Papier (von hier aus verlinkt)
    2. entbunkert zu sein
  2. Skeptiker können feststellen, dass "Cannae Drive" in Schottland "Can't Drive" bedeutet. Wir werden sehen ...
    3. ol>

    EDIT 2: Betreff: Tonys Frage, anscheinend sind nicht alle Ionenstrahlruder gepulst, und es ist leicht vorstellbar, wie ein elektrostatischer mit kontinuierlichem Schub funktionieren würde.

    Ich habe ein kleines "gepulstes Plasma-Triebwerk" im (Labor-) Betrieb gesehen, das deutlich unter 1 Puls pro Sekunde arbeitet. Aus Daten hier kann man schließen - Schub 40 Mikronewton-Sekunden, Gesamtimpuls 44 Ns, eine Lebensdauer von etwa einer Million Sekunden bei dieser Leistung und eine Pulsfrequenz von etwa 1 pps. (Es kann zurückgedrosselt werden, so dass niedrigere Raten möglich sind.)

... oh aber es ist
Denken Sie auch daran, dass die kinetische Energie 0,5 mv ^ 2 beträgt, während der Impuls mv beträgt.Um den gleichen Impuls bei halb so viel Masse zu erzielen, benötigen Sie doppelt so viel Energie.
@Nayuki Ihr Kommentar ist hier der Schlüssel zum Verständnis;und eine direkte Antwort an das OP.Schön hinzugefügt.
Kennt jemand die Pulsfrequenz, da Ionentriebwerke einen weiten Leistungsbereich abdecken, nicht nur "normalerweise Kilovolt und Mikroampere", was <1 W impliziert, wenn bis zu 7 kW verwendet wurden.Es zeigt nicht den kJ an, so dass die Wiederholungsraten aufgrund des Relaxationsoszillators, der sich mit Xenon-Gas in einem E-Feld mit kleiner Lücke bis zum Durchschlagspotential der Ionisationszelle auflädt, langsam sein müssen.Auf jeden Fall erklärte niemand die Änderungen der Ionisationsimpedanz für Coulomb- und Lorentz-Kräfte, was meiner Meinung nach der "Schub" der Frage war.


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