В мире моделей

МОДЕЛЬ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ

07.03.2016
МОДЕЛЬ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯИдеи покорения космоса занимают сегодня умы людей всех возрастов. Не могли остаться в стороне от космической темы и юные сотрудники лабораторий физического эксперимента Клуба юных техников СО АН СССР. Предметом их исследований стали плазменные и ионные двигатели, используемые для ориентации космических аппаратов на орбите... правда, пока только в произведениях фантастов. Изготовить действующую модель плазменного двигателя задумали восьмиклассники Леонид Клем-Мусатов и Юрий Торшенов.
 
В ракетном двигателе такого рода работает реактивная сила плазменной струи, вытекающей из сопла, а плазма создается электрическим разрядом. Чтобы источник питания двигателя модели получился не очень сложным и не громоздким, ребята выбрали импульсный режим работы. Источником энергии служил конденсатор С емкостью 0,5 мкф, напряжением 10 кВ, который 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 камеры и токоподводящего коллектора (рис. 2). Как только напряжение на конденсаторе достигнет величины пробоя этих промежутков, возникает электрический разряд в камере двигателя. Воздух, находящийся там, под действием разрядного тока нагревается до температуры около 10000° К и переходит в состояние плазмы. При этом давление в камере резко возрастает И плазменная струя через сопло с большой скоростью вытекает наружу. Реактивная сила плазменной струи передается модели ракеты, соединенной с двигателем. Для того чтобы вращение было мягким, ракета крепится ка оси через шариковый подшипник и уравновешивается противовесом. Наиболее сложный электрический узел установки — токоподводящий коллектор. Зазоры между стационарными кольцевыми электродами и подвижными штыревыми должны быть 0,2—0,5 мм. Это обеспечит минимум потерь мощности при передаче ее от конденсатора и не создаст дополнительного трения при вращении ракеты.
 
Рис. 1.  Принципиальная схема источника питания плазменного двигателя.
 
Рис. 1. Принципиальная схема источника питания плазменного двигателя.
 
Размеры ракет и соответственно всей установки могут быть различными, однако объем разрядной камеры должен быть соразмерным с величиной конденсатора и мощностью источника питания. Для того чтобы юные конструкторы могли сами рассчитывать основные узлы установки и сконструировать свою модель ракеты, ниже приводится упрощенная схема расчета необходимой мощности.
 
Основным отправным положением является то, что газ в разрядной камере двигателя должен быть нагрет до t=8—10°К, Это позволяет оценить энергию одного разряда:
 
E=VρСV (Т - Т0). (I)
 
Коэффициент полезного действия установки, определяемый наличием подводящих проводов и зазоров в токовом коллекторе, можно принять равный 0,6, Тогда энергия, запасенная в конденсаторе, равна:
 
Е =CV2/2 = VρСv (Т - Т0)/0,6 (II)
 
По формуле можно рассчитать величину емкости конденсатора С, если знать, чему равна напряжение на нем U.
 
Чтобы оценить величину вспомнив, что она определяется электрическим пробоем разрядного промежутка модели. Процесс пробоя в воздухе зависит от целого ряда параметров: влажности воздуха, состояния поверхности и полярности электродов, формы внешнего и внутреннего электродов разрядной камеры и т. д. Приближенно можно считать, что 
 
U = К·103·dB.
 
Здесь d — суммарный зазор, выраженный в сантиметрах. K1 равняется 20, если внутренний электрод отрицательный и К2 равен 14, если он положительный. Приведенных формул достаточно, чтобы сделать наш несложный расчет. Добавим еще, что если камера имеет цилиндрическую форму, то объем ее равен:
 
V = λr2·l,
 
а площадь сопла в минимальном сечении должна быть равна примерно 0,20 r2.
 
Условные обозначения в формулах:
 
Е — энергия разряда, Дж;
 
V — объем, см3;
 
r — радиус камеры, см;
 
l — длина камеры, см;
 
ρ — плотность воздуха при нормальных условиях, ρ=0,129 10-3 г/см3;
 
Сv — теплоемкость воздуха при постоянном объеме (для наших расчетов можно принять Сv =8 Дж/г. град.);
 
Т — Т0 — температура, до которой нагревается газ; Т0 — нормальная температура воздуха, равная примерно 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 возьмем равной 0,5-10-6Ф, тогда Ес по второй формуле составит 9 Дж, а энергия, выделяемая в камере модели двигателя, Е=5,4 Дж. Разницу температур возьмем равной 10000° К. Из (I) получаем величину объема камеры V≈0,50 см3. Считая r=d—0,025 : 2 = 0,4 см, получаем 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
 
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.
 
Описываемая нами модель относится к разряду установок с рабочим напряжением выше 1000 В, поэтому необходимо проявлять особую осторожность при работе с ней и соблюдать правила техники безопасности. Напомним основные из них.
 
Прежде всего нельзя запускать модель без наблюдения руководителя кружка или учителя. Запуск должен производить один человек, остальные находятся на расстоянии не менее 1 м от установки. Производить какие бы то ни было операции с моделью и касаться ее можно только после полного отключения установки от сети питания (выдернуть вилку шнура питания из розетки) и после истечения 1 мин. За это время конденсатор С1 полностью разряжается через шунтирующие резисторы R1—R4. И еще одно замечание: величину R5 следует выбирать такой, чтобы зарядный ток был меньше 60 мА. Источник питания установки должен быть помещен в закрытый металлический корпус, который при работе заземляется медным проводом в изоляции диаметром не менее 1,5 мм.
 
В. ФОМИЧЕВ, г. Новосибирск




Рекомендуем почитать
  • «ОРЛЕНОК» ДЛЯ ВОЗДУШНОГО БОЯ
    «ОРЛЕНОК» ДЛЯ ВОЗДУШНОГО БОЯПростота в изготовлении, большая скорость и высокая маневренность — вот главные качества этой модели. Она полностью отвечает современной манере ведения воздушного боя. Авиамоделист средней квалификации может изготовить ее дней за десять. Наибольших затрат времени потребует фюзеляж. Сначала выпилите мотораму из фанеры толщиной 10 мм, затем в торцевые вырезы вклейте сосновые рейки соответствующей длины сечением 10X3 мм. В месте крепления задней кромки крыла и стабилизатора посадите на клею липовые вставки. Промежуток от моторамы до первой вставки заполните твердым пенопластом, а хвостовую балку усильте липовыми раскосами. Снаружи (к боковым поверхностям реек) приклейте липовый шпон.

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ VK FB


Нашли ошибку? Выделите слово и нажмите Ctrl+Enter.