Оглавление

Оглавление
1. Введение………………………………………………………….……...……..3
2. Теоретическая часть
2.1 Электрореактивные двигатели…………………………….…………......4
2.2 Ионные двигатели……………………………………………………........5
2.3 Эффект Бифельда-Брауна…………………………………………….…..8
2.4 История открытия…………………………………………………..……..9
3. Практическая часть
3.1 Источник питания………………………………………………………....10
3.2 Ионолёт………………………………………………………………….....13
3.3 Полётные испытания……………………………………………….…......18
4. Перспективы развития………………………………………………………..19
5. Вывод………………………………………………………………...…….…..20
6. Список источников………………….………………………………………...21
2
1. Введение
Ионные реактивные двигатели являются перспективным направлением развития
космических аппаратов, так как обладают некоторыми достоинствами, присущими только
данному типу движителей.
Цель работы – проектирование и постройка действующей демонстрационной модели
ионного двигателя, способной развить достаточную тягу для устойчивого полёта на привязи.
Подобные простейшие ионолёты, также известные как «ли́фтеры», работают на основе
эффекта Бифельда-Брауна, т.е. ионизации воздуха и ускорении заряженных частиц
электрическим полем асимметричного воздушного конденсатора.
Для постройки действующего ионолёта необходимо выполнить следующие задачи:

Классификация различных типов электрореактивных двигателей

Изучение конструкции и принципа работы ионного двигателя

Рассмотрение эффекта Бифельда-Брауна

Конструирование и усовершенствование ионолёта

Разработка и сборка высоковольтного источника питания

Испытания установки
3
2. Теоретическая часть
2.1. Электрореактивные двигатели
Электрореактивный двигатель – реактивный двигатель, использующий электрическую
энергию для разгона рабочего тела. ЭРД – крайне перспективное направление развития
космонавтики, т.к. обладают рядом уникальных характеристик, присущих только данному
типу двигательных установок (ДУ), а именно низкого расхода рабочего тела и высокой
скорости истечения газов, что позволяет обеспечивать высокие значения удельного импульса,
недостижимые при помощи других типов ДУ. В настоящее время существуют образцы ЭРД,
обеспечивающие скорость истечения газов до 60 000 м/с, что позволяет достигать значений
удельного импульса до 6 000 с. Для сравнения, лучшие образцы классических химических
двигателей обладают удельным импульсом около 450 с. Различают несколько типов ЭРД.




электротермические
электростатические (ионные)
сильноточные
импульсные
Электротермические двигатели используют электрический нагреватель или дуговой
разряд для нагрева рабочего тела, которое, расширяясь, выбрасывается через систему сопел.
Как правило, в качестве топлива используется аммиак.
В электростатических, или ионных двигателях для разгона пучка или облака плазмы
применяются электростатические поля. Рабочее тело – ионизированный инертный газ, как
правило, ксенон. В некоторых моделях двигателей газ ионизируется вплоть до состояния
плазмы. Также возможно применение ртути.
К сильноточным двигателям относят ЭРД, использующие магнитные поля для
ускорения заряженных частиц, как правило, ионов лития.
Импульсные двигатели по принципу работы близки к электротермическим дуговым.
Отличие состоит в том, что в данном типе двигателей происходит моментальное испарение
фторопластовой шашки в электрическом разряде.
В работе будет изготовлена модель именно ионного двигателя, т.к. от остальных типов
двигателей его отличает простота конструкции и относительная безопасность, т.к. он не
требует для работы высоких температур, токсичного топлива, сопел сложной формы,
генераторов плазмы. Кроме того, будет возможным использование эффекта Бифельда-Брауна,
что позволит использовать в качестве рабочего тела атмосферный воздух.
4
2.2. Ионные двигатели
Изучим конструкцию и принцип работы ионного двигателя подробнее. В настоящий
момент ионный двигатель является единственным типом ЭРД, конструкция которого
достаточно отработана. Ионные двигатели уже были использованы на некоторых
космических аппаратах.
Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне
электростатическим полем. При этом благодаря высокому отношению заряда к массе,
становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 60 000 м/с по
сравнению с 3000 - 4000 м/с у химических ракетных двигателей). Это позволяет значительно
уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом
реактивного топлива в химических ракетах, но требует больших затрат энергии, т.е.
необходимо постоянное внешнее электропитание.
В существующих реалиях для поддержки работы двигателя используются солнечные
батареи. Но для работы в дальнем космосе такой способ неприемлем. Поэтому уже сейчас для
этих целей иногда используются ядерные установки.
Источником ионов служит газ, как правило, это ксенон или аргон, бак с газом стоит в
самом начале двигателя, оттуда газ подаётся в отсек ионизации, получается холодная плазма,
которая разогревается в следующем. После нагрева высокоэнергетическая плазма подается в
магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и
выбрасывается в окружающую среду. Таким образом достигается тяга.
В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при бомбардировании
высокоэнергетическими электронами ионизируется, т.е. происходит ионизация электронным
ударом. В камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов.
Для удаления избытка электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая
притягивает к себе электроны.
Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из 2 или 3 сеток.
Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (около
1000 В). В результате попадания ионов между сетками они разгоняются и выбрасываются в
пространство, ускоряя корабль. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из
двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается по двум причинам:


чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным;
чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к
кораблю.
5
Рис. 1. Принцип работы ионного двигателя
Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50-200
мН). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты,
но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя есть
возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким
другим из существующих видов двигателей.
Первые испытания в области ЭРД начались в 30-х годах ХХ в. Первый успешно
функционирующий ионный двигатель был сконструирован в одном из институтов NASA в
1959 г. под руководством учёного Гарольда Кауфмана. Испытания ионных двигателей на
орбите велись в 60-70 гг. На некоторых небольших спутниках ионная тяга применялась для
управления ориентацией и поддержания орбиты. Кроме того, было построено несколько
аппаратов, использующих ионные двигатели в качестве основного маршевого двигателя.
6
Наиболее значимые миссии с использованием ИД:




SERT I (1960, NASA). Первое испытание двигателя в космосе. Доказана возможность
его эффективной работы в условиях вакуума и невесомости.
Deep Space 1 (1998 - 2001, NASA). Исследовательский аппарат для отработки новых
технологий. Первый КА, использующий ионный двигатель (рис.2) в качестве
маршевого. В настоящее время является обладателем абсолютного рекорда по
негравитационному изменению скорости аппарата. За время работы аппарат массой
около 400 кг увеличил скорость на 4300 м/с, израсходовав всего 74 кг топлива.
Hayabusa (2003 - 2010, JAXA). Исследовательский зонд. Совершил стыковку с
астероидом Итокава, доставил на землю образцы грунта.
Dawn (2007 - наст.вр., NASA). Автоматическая межпланетная станция, запущенная к
карликовой планете Церере и астероиду Весте. В настоящее время находится на орбите
Цереры. Планируется побить рекорд изменения скорости, установленный аппаратом
Deep Space 1.
Рис.2. Аппарат Deep Space
7
1.
2.3. Эффект Бифельда - Брауна
Впервые ионное движение было получено в ионизированном атмосферном воздухе в
электрическом поле конденсатора. Явление получило название «эффект Бифельда – Брауна»
Суть эффекта — возникновение силы, действующей на заряженный асимметричный
конденсатор, находящийся в газовой среде. Сила направлена от одного электрода к другому и
действует до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Этот эффект объясняется
возникновением в конденсаторе ионного ветра. Один из электродов имеет острые, резкие
грани, вследствие чего в непосредственной близости от него электрическое поле имеет очень
высокую напряженность, что способствует ионизации газа вблизи этого электрода. При
работе установки в воздухе образуются преимущественно ионы кислорода, если тонкий
электрод имеет положительный заряд. Если же заряд на тонком электроде отрицателен,
ионизации подвергается азот. Дополнительная ионизация может достигаться за счёт
коронного разряда, возникающего на тонком электроде. При высоких значениях напряжения
также может возникать ионизация электронным ударом. Образовавшиеся ионы ускоряются
электрическим полем конденсатора, направленным от одной обкладки к другой, образуя
ионный ветер. Движущиеся ионы также передают импульс нейтральным частицам, формируя
устойчивый газовый поток от тонкого электрода к широкому электроду. Конденсатор при
этом разряжается, т.к. ионы переносят заряд с одной обкладки на другую. Сила
противодействия, согласно третьему закону Ньютона, действует на конденсатор в
направлении, противоположном направлению ионного ветра. При пробое, т.е. при
возникновении электрического разряда между электродами, эффект пропадает, т.к.
значительно уменьшается напряженность поля. Экспериментально выяснено, что
максимальная эффективность явления достигается при значениях напряжения, немного
меньших, чем напряжение начала пробоя газового зазора. Для воздуха при стандартных
условиях это значение составляет примерно 1 кВ на каждый миллиметр расстояния между
обкладками.
Эмпирическая формула для расчёта силы, действующей на систему:
𝐼𝑑
𝐹 = 𝑘 , где I – ток между электродами, d – расстояние между ними, k – подвижность ионов
данного типа в данной среде (для воздуха k ≈ 2*10-4 Кл*с)
Явление возникновения ионного ветра при воздействии электрического поля, по сути,
повторяет принцип действия классического ионного двигателя. Это позволит создать
действующую установку при минимальных затратах, используя эффект Бифельда-Брауна.
Рис.3. Эффект Бифельда-Брауна
8
2.4. История открытия
Эффект был открыт в 1920 году американским учёным Томасом Таунсендом Брауном.
Будучи на тот момент еще подростком, учёный экспериментировал с рентгеновскими лучами,
изучая их свойства. В качестве источника лучей использовалась трубка Кулиджа. В ходе
одного из экспериментов трубка подвешивалась на чувствительном балансире, и учёный
заметил, что при включении устройства трубка отклонялась от положения равновесия, то есть
на неё действовала некая сила. Ему потребовалось значительное количество времени, чтобы
выяснить, что в природе открытого им феномена лежит не рентгеновское излучение, а
высокое напряжение (для функционирования трубки Кулиджа необходима разность
потенциалов в несколько десятков киловольт). Браун провёл серию экспериментов, изучая
открытое им явление, и сконструировал прибор, который назвал «гравитор». Устройство
представляло собой ящик, вес которого незначительно изменялся, если подключить его к
источнику постоянного тока напряжением 100 киловольт. Томас Браун был уверен, что
открыл новое физическое явление, но не знал, как его объяснить и где его применять.
Несмотря на то что научная работа была опубликована, научное сообщество не проявило к
ней интереса, т.к. на тот момент Томас Браун только заканчивал школу. С 1922 по 1923 год
Браун меняет несколько университетов в попытках получить помощь в исследованиях, и в
результате попадает в Деннисовский университет в Гринвилле, Огайо. Один из профессоров
университета, Пауль Биффельд, проявляет интерес к его работе, и вместе они продолжают
эксперименты с конденсаторами. Впоследствии они формируют физический принцип, сутью
которого стала тенденция к движению заряженного конденсатора в направлении одного из
полюсов, того самого движения, которое когда-то заметил Томас Браун при включении
трубки Кулиджа. В 1930 - 1940 гг. Томас Браун работает с электромагнитными полями и
радиоизлучением для радиолокационной маскировки кораблей ВМФ США. В 1952 году
учёный возвращается к своим исследованиям. Он пытается объяснить природу открытого им
эффекта, ошибочно полагая, что открыл прямую связь между электричеством и гравитацией и
пытается объяснить это положениями из Единой Теории Поля. Браун конструирует аппарат,
развивающий тягу, превышающую его собственный вес, то есть теоретически способный к
полёту.
Следующие аппараты в форме диска диаметром около метра (рис.4) уже
поднимались в воздух и летали на проводах вокруг мачты, достигая скорости до 50 м/с.
Военные проявляют интерес к данным аппаратам, однако со скептицизмом относятся к
утверждениям Брауна, который по-прежнему считает, что тяга достигается за счёт
преобразования электричества в гравитацию. Учёный считает, что за аппаратами его
конструкции – будущее аэрокосмической отрасли. После смерти Томаса Брауна почти сразу
же проект свёрнут, исследования прекращены. Впоследствии учёными доказано, что природа
возникновения тяги – ионный ветер. Экспериментально подтверждено, что в вакууме аппарат
не работает.
Рис.4.
Аппарат Томаса Брауна
9
3. Практическая часть
Собрана необходимая информация об ионных двигателях и эффекте Бифельда-Брауна.
Это позволяет приступить непосредственно к проектированию и сборке ионной двигательной
установки.
3.1. Источник питания
3.1.1 Проектирование
Для нормального функционирования аппарата необходимо сконструировать источник
источник питания, способный поддерживать постоянный ток до 1 миллиампера при
напряжении 20-30 кВ, а также обеспечивать возможность плавной регулировки напряжения.
Как правило, в подобных макетах ионных двигателей для повышения напряжения с
нескольких сотен до десятков тысяч вольт используется повышающий трансформатор.
Подобные трансформаторы имеются в различных электроприборах, к примеру, в бытовых
ионизаторах воздуха или в телевизорах с электронно-лучевой трубкой. В данной работе
использовался трансформатор для питания неоновых ламп с коэффициентом трансформации
n=1:70. Характеристики (паспортные) представлены в таблице.
Характеристики трансформатора Transco EX220A15N
Номинальное входное напряжение, В
220
Номинальное выходное напряжение, В
15000
Коэффициент трансформации
~1:70
Номинальная мощность, Вт
250
Макс. входной ток, А
2
Макс. выходной ток, мА
30
Частота, Гц
50
Регулировка напряжения осуществляется при помощи изменения входного напряжения,
подаваемого
на
высоковольтный
трансформатор
посредством
лабораторного
автотрансформатора регулируемого (ЛАТР), обеспечивающего регулировку напряжения в
пределах от 0 до 240 В.
Характеристики ЛАТРа модели ТМ
Номинальное входное напряжение, В
Макс. входной ток, А
Диапазон выходного напряжения, В
Частота, Гц
220
9
0-240
50
Выпрямление напряжения после высоковольтного трансформатора первоначально
предполагалось осуществлять при помощи классического диодного моста, однако, от этой
схемы пришлось отказаться в пользу умножителя напряжения Латура-Делона-Гренашера.
Помимо выпрямления данная схема обеспечивает ещё и увеличение напряжения в 2 раза за
счёт поочерёдной зарядки и совместной разрядки конденсаторов, т.к. получаемого
напряжения было недостаточно для устойчивого полёта аппарата.
10
Рис.5. Схема источника питания
3.1.2 Сборка
Значительной проблемой при создании выпрямителя-умножителя стало отсутствие
подходящей элементной базы, а именно качественных и недорогих полупроводниковых
диодов, способных выдерживать обратное напряжение до 25 кВ. Имеющиеся в свободной
продаже высоковольтные диоды марок 2CL76 и 2CL77 по заявленным характеристикам
должны выдерживать обратное напряжение 18 и 20 киловольт соответственно, но на практике
иногда происходит электрический пробой и/или перегорание диодов даже при меньших
значениях напряжения. Вначале использовались диоды 2CL76, впоследствии заменены на
2CL77.
Характеристики диодов
Запирающее напряжение, В
Макс. обратное напряжение, В
Макс. ток, мА
Время открытия/закрытия, нс
2CL76
55
18000
5
100
2CL77
62
20000
5
100
Высоковольтный преобразователь собирается на текстолитовой пластине. Элементы
фиксируются на специальных стойках при помощи пайки. Для повышения надёжности
элементов используется дополнительная изоляция бумагой, клеем БФ-6 и компаундом на
основе эпоксидных смол, т.к. в результате экспериментов выяснено, что при напряжении
выше 10 кВ происходит активный электрический пробой по корпусам и ножкам элементов,
что препятствует работе установки. Экспериментально выяснено, что наилучшая изоляция
достигается при использовании бумаги. Нормальное функционирование источника питания
при использовании данных типов диодов возможно, и, в конечном счёте, выбор был сделан в
их пользу. Надёжность источника питания в данном случае не очень высок, т.к. возможен
выход диодов из строя. В качестве альтернативы рассматривалось использование вакуумных
диодов, теоретически не имеющих ограничений по значениям обратного напряжения, но от
них пришлось отказаться в силу дороговизны и сложности в использовании, т.е. сложного
монтажа и необходимости дополнительного накального трансформатора. Для конденсаторов
не стояло подобной проблемы, т.к. высоковольтный
конденсатор можно заменить
несколькими последовательно включенными конденсаторами, рассчитанными на меньшее
напряжение. Использовались конденсаторы на 680 пФ, максимальное напряжение 15 кВ,
11
соединённые последовательно по два, чтобы снизить напряжение на каждом конденсаторе. В
𝑞
𝐶 𝑈𝜈
теории конденсаторы способны поддерживать постоянный ток до 𝐼 = 𝑇 = 𝐶𝑜 𝑈𝜈 = 𝑜2 =
340 мкА при напряжении U = 20 кВ и частоте 𝜈 = 50 Гц.
Трансформатор и выпрямитель-удвоитель устанавливаются на деревянную платформу,
которая крепится к сварной металлической раме. Подключение трансформатора к
выпрямителю, а также подключение выпрямителя непосредственно к платформе с аппаратом
производится с помощью изолированных высоковольтных проводов. Контактные площадки
на концах проводов фиксируются гайками.
Наличие в высоковольтной установке большого количества неизолированных элементов
требует неукоснительного соблюдения правил техники безопасности при работе с
электроприборами. Следует также помнить, что из-за высокого напряжения происходит
ионизация воздуха вблизи резких и острых граней, что увеличивает риск электрического
пробоя. Не допускается наличие металлических предметов, в особенности заземлённых,
рядом с работающей высоковольтной установкой. После выключения установки следует
разрядить конденсаторы путём замыкания, чтобы избежать поражения остаточным зарядом.
Таким образом, используемый источник питания содержит ЛАТР (рис.7),
высоковольтный трансформатор (рис.6) и множитель Латура-Делона-Гренашера.
Два
последовательно включённых трансформатора обладают высокой индуктивностью,
следовательно пусковые токи весьма высоки, и при включении в электросеть может
происходить срабатывание предохранителей. Чтобы минимизировать подобные риски,
необходимо соблюдать верную полярность фаза-ноль при подключении в сеть (следствие
особенностей конструкции ЛАТРа).
Рис.6. Трансформатор на раме. Спереди виден
выпрямитель-удвоитель.
Рис.7. ЛАТР в корпусе из бакелитовой фанеры
12
3.1.3. Альтернативные варианты
Существуют также альтернативные варианты источников питания.
Во-первых, возможно использование электронного высоковольтного преобразователя
вместо трансформатора. Электронные преобразователи данного типа содержат в себе
высокочастотный генератор и повышают напряжение за счёт компактного высокочастотного
трансформатора на основе ферритовых колец. Достоинствами таких источников питания
являются небольшой вес и небольшие габариты в сравнении с классическим
трансформатором. Стоит отметить, что выходной сигнал таких источников питания, как
правило, имеет вид не синусоиды, а т.н. «ступенек», что после выпрямления обеспечивает
более ровный постоянный ток. От электронного преобразователя пришлось отказаться, т.к.
данная система рассчитана на конкретное фиксированное напряжение, т.е. не даёт
возможности его регулировать.
Во-вторых, возможно использование многоступенчатых умножителей напряжения на
базе диодов и конденсаторов, также известных под названием «генератор КокрофтаУолтона». Каждая ступень повышает напряжение, подобно использованному умножителювыпрямителю Латура-Делона-Гренашера. Эта схема содержит большое количество элементов
(диодов и конденсаторов), в несколько раз большее, чем в имеющейся схеме, что вкупе с их
низкой надёжностью делает применение этой системы практически невозможным для
получения напряжения 20-30 кВ.
13
3.2. Ионолёт
Ионная двигательная установка включает в себя непосредственно двигатель, систему
хранения и подачи рабочего тела, систему электропитания, систему автоматического
управления. В конструируемой установке двигатель представляет собой систему электродов.
Хранение и подача рабочего тела не требуется, т.к. в качестве источника ионов используется
воздух из окружающей среды. Электропитание и управление тягой обеспечивается при
помощи высоковольтного преобразователя.
Действие простейшего ионного двигателя, или ли́фтера, основано как раз на эффекте
Бифельда-Брауна. Аппарат представляет собой асимметричную систему электродов, что
позволяет создавать ионный ветер, т.е. реактивную тягу.
3.2.1. Рама аппарата
Рама аппарата представляет собой объёмную треугольную конструкцию. Подобная
конструкция имеет относительно высокую прочность, что позволяет обеспечить малый вес
конструкции за счёт облегчения планок, из которых данная конструкция собирается.
Материал рамы может быть различным. Рассматривалось несколько вариантов, в том числе:
пенопласт, полиэтиленовые трубки (для напитков), древесина бальзы. Выбор был сделан в
пользу последней, т.к. в отличие от остальных материалов древесина бальзы удобна в работе,
имеет достаточную прочность и низкую плотность (около 150 кг/м3). Лист древесины
толщиной 1 мм разрезается на планки шириной 5 мм. Для сборки конструкции используется
быстросохнущий клей на основе цианоакрилата. Получившаяся конструкция имеет вид
равностороннего треугольника. Были испытаны аппараты различных размеров
(см. «Полётные испытания»).
3.2.2. Нижний электрод
Широкий отрицательный электрод выполнен из пищевой алюминиевой фольги
толщиной 11 мкм. Фольга приклеивается на каркас при помощи суперклея. Нижний электрод
не должен иметь острых граней, чтобы не происходил электрический пробой вследствие
сильной ионизации, поэтому край, расположенный ближе всего к верхнему электроду, плавно
загибается вокруг планки каркаса. Углы аппарата, где практически невозможно обеспечить
плавный край, дополнительно изолируются клеем БФ-6. Подводящий провод из медной
проволоки диаметром 0,08 мм крепится к нижнему краю узлом, т.к. пайка подобных
соединений практически невозможна, а также значительно утяжеляет аппарат и ведет к
нарушениям его балансировки.
3.2.3. Верхний электрод
В качестве тонкого положительного электрода, расположенного на аппарате сверху,
выбрана медная проволока диаметром 0,08 мм, т.к. тонкий электрод круглого сечения создаёт
достаточно сильное электрическое поле. Проволока натягивается на вертикальные стойки
каркаса на расстоянии от нижнего электрода (см. «Эффект Бифельда-Брауна»), фиксируется
при помощи узлов, скруток и клея. Готовая конструкция имеет вид деревянной рамы с
укрепленными на ней двумя электродами и выходящими проводами. Для обеспечения
безопасности и стабильности полёта лифтер крепится к платформе нитями. Такой аппарат
способен развить тягу, превышающую его собственный вес, следовательно, возможен его
полёт. Проводились эксперименты также и с другими типами проволоки, а именно стальной
проволокой диаметром 0,1 мм и 0,25 мм. Наилучшие результаты достигаются с наиболее
тонкой проволокой.
14
3.2.4. Платформа
Кроме того, изготовлена специальная платформа для запуска аппарата. Она имеет
круглую форму и изготовлена из ПВХ-пластика. Аппарат крепится нитями к платформе.
Держатель для нижнего подводящего провода установлен на самой платформе, верхний
провод крепится на съёмную стеклопластиковую стойку при помощи кронштейна.
15
Всего собрано 4 модели ионных двигателей (ИД):
Аппарат
Сторона треугольника, мм
Высота, мм
Масса, г
Расстояние между электродами, мм
Ширина нижнего электрода, мм
Общая длина электродов, мм
Успешный полёт
Примечания
ИД-1
200
100
2,25
18
40
600
да
Сломан в
процессе
экспериментов
ИД-2
300
100
5,4
24
30
1350
нет
Имеет
второй
внутренний
треугольник
Рис.8. Схема аппарата
16
ИД-3
120
80
1,3
20
30
360
нет
ИД-4
150
90
1,9
20
40
480
да
Рис.9. ИД-1.
Рис 10. ИД-2.
17
Рис.11. ИД-3.
Рис.12. ИД-4 на платформе.
18
3.3. Полётные испытания
Первым собран аппарат ИД-1. Во время экспериментов с аппаратом была значительно
доработана конструкция источника питания, после чего произошёл успешный взлёт при
напряжении на аппарате около 18 кВ. Полёт стабильный. Аппарат случайно сломан при
экспериментах вследствие неосторожного обращения.
После успешных взлётов аппарата ИД-1 принято решение увеличивать мощность
ионолёта. Был построен более тяжёлый и мощный аппарат, ИД-2, имеющий сложную
конструкцию, представляющую собой треугольник внутри треугольника. Также специально
для ИД-2 изготовлена платформа (установка для запуска аппарата ИД-1 была собрана из
подручных средств). Аппарат ИД-2 оказался слишком тяжёлым и нестабильным в полёте. Для
взлёта требуется напряжение свыше 22 кВ, что является фактически пределом для источника
питания. При работе источника питания заметно, что тяга есть, т.е. аппарат дрожит, может
взлетать один угол. При дальнейшем повышении напряжения взлёт происходит, но аппарат
очень нестабилен и сильно колеблется в полёте, при этом очень велик риск выхода источника
питания из строя.
Аппарат ИД-3, напротив, маленький. Уменьшение аппарата должно уменьшить ток в
цепи, что снизило бы нагрузку на источник питания. При подаче напряжения отрывается от
платформы один угол, но дальнейшее повышение напряжения невозможно, т.к. источник
питания работает почти на пределе, т.к. аппарат ИД-3 имеет большую для своих размеров
массу, т.е. низкую удельную тягу.
При постройке аппарата ИД-4 принято решение вернуться к конструкции аппарата ИД1, как к самой успешной. ИД-4 взлетает при напряжении около 20 кВ. При начале отрыва
возможны колебания аппарата в полёте; при дальнейшем увеличении тяги аппарат
стабилизируется.
Итог испытаний: ионолёты подобной конструкции способны развивать тягу,
достаточную для полёта. Возможно создать более мощные и грузоподъемные аппараты, но
для этого требуется модернизация источника питания.
19
4. Дальнейшие перспективы развития
Можно выделить несколько основных направлений для дальнейшей работы над
проектом и развития лифтеров.
Во-первых, усовершенствование конструкции аппарата. Возможна установка на аппарат
подобия сопел Лаваля, что поспособствует увеличению реактивной тяги. Увеличение
мощности аппарата, размеров и прочности конструкции позволит создать лифтер, способный
поднять в воздух полезную нагрузку. В теории большие многосекционные аппараты
способны летать с полезной нагрузкой до нескольких десятков граммов. Создание лифтера из
нескольких независимо управляемых секций поможет сконструировать ионолёт, способный к
управляемому полёту.
Во-вторых, изучение явления ионной тяги и эффекта Бифельда-Брауна. При помощи
точных динамометров возможно измерение тяги, создаваемой построенными ионными
двигателями. Дальнейшему изучению явления ионной тяги поможет создание стационарной
(нелетающей) установки для экспериментального изучения зависимости реактивной силы от
различных параметров аппарата, как то размеры электродов, расстояние между ними,
напряжение между ними и ток в цепи. Также возможно создание стационарной установки,
демонстрирующей непоследственно явление ионного ветра. Небольшой ионный двигатель
может вращать реактивной струёй лёгкую крыльчатку.
В-третьих, усовершенствование источников питания. Т.к. значительную проблему в
работе вызвала низкая надёжность источника питания. Альтернативные варианты источников
помогут решить эту проблему. Вероятное направление развития – создание сверхлёгких
источников питания, способных обеспечить энергией ионолёт, способный поднять эти
источники в воздух. Однако данное направление требует большого количества ресурсов.
Вероятно, это будет возможно в будущем с дальнейшим развитием полупроводниковой
электроники, когда в свободном доступе появятся более лёгкие, компактные, надёжные и
эффективные элементы.
20
5. Вывод
На основе полученных знаний об ионных электрореактивных двигателях с нуля
сконструирована успешно функционирующая модель ионолёта. Аппарат использует
реактивную ионную тягу (эффект Бифельда-Брауна) для самостоятельного полёта. Сборка
аппарата возможна в домашних условиях при наличии необходимых приборов и
инструментов. При создании аппарата и источника питания получен значительный опыт
работы в конструировании летающих моделей, проектировании и сборке высоковольтных
электрических схем, обработке металла (резка, шлифовка, дуговая сварка). Построенное
устройство может использоваться для научных демонстраций, в т.ч. в образовательных целях
при изучении явлений электрического тока в газах.
21
6. Список источников.
1.
«Космонавтика» под ред. Глушко В.П., 1985, Советская энциклопедия.
2. «Новый рассвет электрических ракет», Э. Чуэйри, 2009, Scientific American.
3. «Параллельная вселенная Томаса Брауна», Пол Шацкин, 2008, Tanglewood Books.
4. «Асимметричные конденсаторы для ускорения», Френсис Кэнинг, 2004, NASA.
5. Cyclowiki.org
6. Re-tech.narod.ru
7. Nasa.gov
22