Was begrenzt das Schub-Gewichts-Verhältnis von Ionen-Sostern? (neben der Leistungsdichte der Energiequelle)

Die Motoren sind nicht besonders schwer, aber wir handhaben viel Leistung in einem sehr kleinen Volumen. Viel Leistung bedeutet Kühlung. Gas, das auf diese Energien beschleunigt wird, wird zu einem extrem korrosiven Plasma, das am besten durch Magnetfelder in Schach gehalten wird, da sich der Motor sonst selbst durchbrennt. Also - schwere Elektromagnete zur Führung des Treibmittels. Die elektrischen Subsysteme verarbeiten eine ziemlich hohe Leistung bei sehr hohen Spannungen, also wiederum nicht wirklich leicht. Aber insgesamt sind die Motoren nicht sonderlich viel schwerer als Chemiemotoren vergleichbarer Leistung. Der „Gewichts“-Teil von Schub-zu-Gewicht ist so lala, nichts wirklich Außergewöhnliches.

Aber jetzt schauen wir uns den Schub an.

$E_k = {1 \over 2} m v^2 \ \ (1)$

$p = mv \ \ (2)$

Dies sind die Gleichungen für kinetische Energie und Impuls.
Bei Ionenmotoren dreht sich alles um die Maximierung der Leistung; spezifischer Impuls.$I_{sp}={ v_e\over g_0}$.
Um maximale Leistung zu erzielen, möchten Sie die Abgasgeschwindigkeit maximieren. Sie haben nur eine bestimmte Energiemenge zu handhaben, Ihre Sonnenkollektoren oder andere Energiequellen als Input. Nehmen Sie Gleichung (1) Um so viel Leistung zu erhalten - so viel Abgasgeschwindigkeit des Gases bei konstanter verfügbarer Energie, müssen Sie die Masse reduzieren - insbesondere weniger Treibmittel nehmen, die gleiche elektrische Energie anwenden, indem Sie es in eine geringere Menge Treibmittel drücken, um eine höhere Beschleunigung zu erreichen des Treibmittels, höhere Austrittsgeschwindigkeit. Und immer noch bekommst du nur$v = \sqrt{2E_k \over m}$- ein Quadratwurzelwachstum der Geschwindigkeit mit sowohl einer Erhöhung der Energie/Leistung als auch einer Verringerung der Masse; sinkende Renditen, obwohl es sich immer noch lohnt. Mit anderen Worten, ein Motor mit der doppelten Leistung eines anderen benötigt entweder 4x so viel Leistung oder 1/4 des Kraftstoffflusses, der Menge an Treibmittel, die pro Zeiteinheit verbraucht wird - und der Motor, seine Energiequellen, die Struktur, nicht Leichter werden Sie im Prozess der Leistungssteigerung nicht.

Schauen wir uns nun an, wie sich das auf den Schub auswirkt. Die Raketenbewegung basiert auf der Impulserhaltung. Es gibt viele ausgefallene Gleichungen, die es in Form von Differenzzeit, Massenänderung im Laufe der Zeit usw. beschreiben, aber es läuft alles auf den einfachsten Ansatz hinaus, der Impuls aus Gleichung (2) bleibt erhalten:$v_{rocket} m_{rocket} = v_{exhaust} m_{exhaust}$.

Was haben wir nun getan, um die maximale Leistung aus unserem Motor herauszuholen? Wir haben reduziert$m_{exhaust}$linear, zu erhöhen$v_{exhaust}$in einem Quadratwurzelverhältnis. Je besser die Leistung ist, desto niedriger ist der rechte Term der obigen Gleichung.$m_{rocket}$hat sich nicht verbessert, unser Motor ist genauso schwer wie weniger effizient. Deshalb$v_{rocket}$leidet. Über eine Zeiteinheit gewinnt unsere Rakete an Geschwindigkeit, sie beschleunigt also weniger – wir haben an Schub verloren.

Und zwar die Tatsache, dass bei gegebener abrufbarer Motorleistung die Leistung um den Faktor 1 steigt$\sqrt{n}$Sie reduzieren den Abgasmassenstrom um den Faktor$n$, führt zwangsläufig zu Schubverlust (und zu keiner Gewichtsersparnis), daher ist je besser die Motorleistung bei gegebener Leistung, desto schlechter TWR zu erwarten.

Ionentriebwerke benötigen eine Stromquelle. Und Stromquellen können gewaltig sein.

Dies war ein wichtiger Einwand gegen die Behauptung von Franklin Chang Diaz, dass VASIMR in 39 Tagen zum Mars gelangen könnte. Er ging von einem Alpha von ,5 kg/KWe aus. Was mit dem heutigen Stand der Technik nicht machbar ist. Wie sähe also eine Stromquelle aus, die pro halbes Kilogramm ein Kilowatt Strom erzeugt? Ich habe versucht, es zu veranschaulichen. Ein Screenshot aus meinem The Need For A Better Alpha

Dominique ist ein 60 Kilogramm schweres Mädchen. Wenn sie diese Art von Alpha hätte, könnte sie die Arbeit eines Ford Focus-Motors zusammen mit Benzin und Sauerstoff erledigen.

Ich glaube, dass Dünnschicht-Photovoltaikanlagen das Potenzial für ein gutes Alpha haben. Wenn wir Solaranlagen bekommen können, die 250 Watt pro Kilogramm liefern, glaube ich, dass eine Beschleunigung von 1 mm/s^2 machbar ist.

Es gibt 2 Dinge, die im Grunde alle Elektroraketen einschränken. Einer ist die Stromversorgung. Eine elektrische Rakete ist nur so gut wie ihre Stromversorgung. Ob solar oder nuklear, bei vielen Konstruktionen ist das Gewicht der Stromerzeugung so groß, dass sie den Vorteil an sich reißt, wenig Treibstoff zu benötigen. Wie Sie bereits sagten, sind die zunehmende Leistung und das geringe Gewicht von Solarzellen ermutigend.

Die andere große Einschränkung ist die Dichte des Abgasstroms. Da diese extrem heiß sind, haben sie naturgemäß eine geringe Masse und ein großes Volumen. Das Problem besteht also darin, den Abgasstrom zu komprimieren, damit Sie mehr Schub haben können.

Ich weiß nicht, ob das Gewicht des Motors selbst ein so großes Problem darstellt. Wie Sie darauf hingewiesen haben, ist ein Design mit Magnetspulen (wie dem VASMIR) schwerer, aber die Spulen ermöglichen es, den Abgasstrom zusammenzudrücken, um ihn dichter zu machen, sodass möglicherweise die Gewichtsbelastung aufgehoben wird.

Ich stimme den anderen Kommentaren zu, dass Dünnschicht-Photovoltaik eine gute Energiequelle ist. Ich habe ein Ionentriebwerk gebaut, das dafür patentiert ist, seine Stromversorgung gegen die Schwerkraft der Erde anzuheben. Ein normales Xenon-Ionen-Triebwerk oder "Ionenlifter" kann seine Energieversorgung nicht anheben, da das Verhältnis von Schub zu Gewicht oder Masse zu niedrig ist. In einem Xenon-Triebwerk wird beispielsweise elektrische Energie verwendet, um Elektronen von den Xenon-Atomen zu lösen, was eine beträchtliche Wattleistung erfordert und Leistungsverluste verursacht, insbesondere wenn man die zusätzlichen Verluste im elektrischen System und die im Abgas erzeugte Wärme berücksichtigt. Diese Motoren haben auch Erosionsprobleme und müssen normalerweise lange Zeit laufen, um eine große Wirkung zu erzielen. „Ionenheber“,
Das ionengetriebene Fahrzeug oder das in sich geschlossene ionenbetriebene „Flugzeug“ fügt nur einem kleinen Prozentsatz der O2-Moleküle der Umgebung oder dem O2 oder SF6, das von optionalen Treibstofftanks an Bord geliefert wird, Elektronen hinzu. O2 hat eine starke Affinität zur Gewinnung zusätzlicher Elektronen und benötigt daher nicht die gleiche Ionisierungsenergie, sondern absorbiert nur Elektronen, die von der Stromversorgung erzeugt werden. Während die Spannung des Netzteils viel höher ist als bei einem Xenon-Triebwerk, sind Strom und Wattzahl weitaus geringer, sodass die Masse des Netzteils erheblich reduziert werden konnte. Die Erosion auf den Kollektorflächen wird minimiert, da er nach einem anderen Prinzip mit sehr geringer Wattleistung arbeitet.