Модель плазмового двигуна, моделіст-конструктор
Ідеї підкорення космосу займають сьогодні уми людей будь-якого віку. Чи не могли залишитися осторонь від космічної теми і юні співробітники лабораторій фізичного експерименту Клубу юних техніків СО АН СРСР. Предметом їх досліджень стали плазмові й іонні двигуни, які використовуються для орієнтації космічних апаратів на орбіті. правда, поки тільки в творах фантастів. Виготовити діючу модель плазмового двигуна задумали восьмикласники Леонід Клем-Мусатов і Юрій Торшенов.
У ракетному двигуні такого роду працює реактивна сила плазмового струменя, що витікає з сопла, а плазма створюється електричним розрядом. Щоб джерело живлення двигуна моделі вийшов не дуже складним і не громіздким, хлопці вибрали імпульсний режим роботи. Джерелом енергії служив конденсатор З ємністю 0,5 мкф, напругою 10 кВ, який заряджався від високовольтного трансформатора через діоди V1-V4 і резистор R5 (рис. 1).
Принцип дії установки наступний. Напруга, до якого заряджається конденсатор, визначається величиною зазору між електродами розрядкою камери і струмопідвідного колектора (рис. 2). Як тільки напруга на конденсаторі досягне величини пробою цих проміжків, виникає електричний розряд в камері двигуна. Повітря, що знаходиться там, під дією розрядного струму нагрівається до температури близько 10000 ° К і переходить в стан плазми. При цьому тиск в камері різко зростає І плазмовий струмінь через сопло з великою швидкістю витікає назовні. Реактивна сила плазмового струменя передається моделі ракети, з'єднаної з двигуном. Для того щоб обертання було м'яким, ракета кріпиться ка осі через кульковий підшипник і врівноважується противагою. Найбільш складний електричний вузол установки - токоподводящий колектор. Зазори між стаціонарними кільцевими електродами і рухливими штирьовими повинні бути 0,2-0,5 мм. Це забезпечить мінімум втрат потужності при передачі її від конденсатора і не створить додаткового тертя при обертанні ракети.
Мал. 1. Принципова схема джерела живлення плазмового двигуна.
Розміри ракет і відповідно всієї установки можуть бути різними, однак обсяг розрядної камери повинен бути відповідним з величиною конденсатора і потужністю джерела живлення. Для того щоб юні конструктори могли самі розраховувати основні вузли установки і сконструювати свою модель ракети, нижче наводиться спрощена схема розрахунку необхідної потужності.
Основним відправним положенням є те, що газ в розрядної камері двигуна повинен бути нагрітий до t = 8-10 ° К, Це дозволяє оцінити енергію одного розряду:
Коефіцієнт корисної дії установки, що визначається наявністю підвідних проводів і зазорів в струмовому колекторі, можна прийняти рівний 0,6, Тоді енергія, запасені в конденсаторі, дорівнює:
Е = CV 2/2 = VρСv (Т - Т 0) / 0,6 (II)
За формулою можна розрахувати величину ємності конденсатора С, якщо знати, чому дорівнює напруга на ньому U.
Щоб оцінити величину згадавши, що вона визначається електричним пробоєм розрядного проміжку моделі. Процес пробою в повітрі залежить від цілого ряду параметрів: вологості повітря, стану поверхні і полярності електродів, форми зовнішнього і внутрішнього електродів розрядної камери і т. Д. Приблизно можна вважати, що
Тут d - сумарний зазор, виражений в сантиметрах. K1 дорівнює 20, якщо внутрішній електрод негативний і К2 дорівнює 14, якщо він позитивний. Наведених формул досить, щоб зробити наш нескладний розрахунок. Додамо ще, що якщо камера має циліндричну форму, то обсяг її дорівнює:
а площа сопла в мінімальному перетині повинна дорівнювати приблизно 0,20 r 2.