Исследование режимов запуска и вращения модели ионного реактивного двигателя посредством генератора Ван де Граафа
Применение ионных реактивных двигателей в космических аппаратах для разгона в открытом космосе. КПД таких двигателей по сравнению с химическими и ядерными ракетными двигателями. Разработка генератора Ван де Граафа. Выбор оптимальной формы ионной вертушки.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 05.05.2019 |
| Размер файла | 3,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Исследование режимов запуска и вращения модели ионного реактивного двигателя посредством генератора Ван де Граафа
Круссер Г.Ю.
научный руководитель Гуньков В.В.
Введение
Ионные реактивные двигатели нашли широкое применение в космических аппаратах для разгона их в открытом космосе. Этому типу двигателя в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе -- космический аппарат «Deep Space 1» смог увеличить скорость на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Однако механизм работы таких двигателей крайне мало изучен. Они обладают бомльшим КПД по сравнению с химическими и ядерными ракетными двигателями, поэтому можно считать, что ионный двигатель - двигатель будущего. В связи с этим, исследование данной темы является актуальным и позволит сделать шаг в развитии потенциала ионных двигателей.
Постановка целей
• Исследование модели ионного двигателя;
• Выбор оптимальной формы ионной вертушки по критерию КПД.
Исследование 1. Разработка генератора Ван де Граафа
Для запуска ионной вертушки требуется высоковольтный источник постоянного или переменного напряжения. Было решено использовать генератор Ван де Граафа. Его преимущество заключается в том, что он способен создавать достаточно большие значения электростатических потенциалов при относительно простой конструкции.
Генератор Ван де Граафа -- генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Впервые был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году.
Лабораторная модель генератора Ван де Граафа, схема которого представлена на рисунке 1, состоит из диэлектрической ленты (4), вращающейся на роликах (3) и (6), верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и заземлен. Верхний ролик вместе с лентой заключён в металлическую сферу (1). Два электрода (2) и (5), в виде щеток, находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причём электрод (2) соединён с внутренней поверхностью сферы (1). Через щетку (5) воздух ионизируется от источника напряжения (7). Образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона перемещаются к заземлённому (6) ролику и оседают на ленте. Движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы (1), где он снимается щёткой (2). Под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы, в результате чего происходит накапливание электрического заряда. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы. Лабораторная модель генератора Ван де Граафа, собранная автором, представлена на рисунке 2.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 1 - Схема генератора Ван де Граафа
Рисунок 2 - Лабораторная модель генератора Ван де Граафа
ионный двигатель генератор грааф
В ходе проведения исследования был измерен максимальный потенциал проводящей сферы генератора Ван де Граафа. Его величина равна 300 кВ.
2. Исследование модели ионного двигателя
В качестве модели ионного двигателя в исследовании использовалась ионная вертушка. Ионная вертушка - это лабораторное устройство, ставшее предметом споров на протяжении двух столетий. В учебной физической лаборатории иногда демонстрируют вертушку, которая приводится в движение подключением ее к высоковольтному источнику напряжения. Вращение вертушки обуславливается тем, что воздух вблизи ее острия ионизируется. В сильном электрическом поле образовавшиеся ионы и острие оказываются заряженными одинаково и отталкиваются. Ионная вертушка представляет собой изогнутую тонкую проволоку, одетую на ось из более толстой медной проволоки, подключенную к высоковольтному источнику питания. Вертушка, использованная в исследовании, представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Экспериментальная трехлопастная ионная вертушка
Для проведения эксперимента было сконструировано 3 типа вертушек: Р-, Г- и Sобразная. 3 исследуемых типа вертушек представлены на рисунке 4.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 4 - Исследуемые формы вертушек: Р-образная форма (а), Г-образная форма (б), S-образная форма (в).
Условные обозначения
1. Для Р-образной формы: R - радиус кривизны [мм].
2. Для Г-образной формы: Lr - рабочая длина вертушки [% от общей длины]; Lp - длина плеча вертушки [% от общей длины]; Lr+Lp - общая длина вертушки [мм].
3. Для S-образной формы: Ls - длина вертушки до изгиба [% от общей длины]; Lsr - рабочая длина вертушки [% от общей длины]; Ls+Lsr - общая длина вертушки [мм].
Выбор оптимальной формы вертушки осуществлялся по критерию КПД вертушки, то есть по максимальному количеству оборотов (N), которое способна совершить вертушка при подаче на нее напряжения от генератора Ван де Граафа U = 300 кВ в течение 20 секунд. Результаты экспериментов Р -, Г- и S - образных вертушек представлены в таблицах 1, 2, 3, соответственно.
Таблица 1 - Результаты эксперимента Р - образной ионной вертушки.
|
R, мм |
0 |
6 |
10 |
15 |
20 |
25 |
||||||||
|
N |
0 |
16 |
20 |
19,5 |
17,5 |
15 |
||||||||
|
Таблица 2 |
||||||||||||||
|
Lr , % |
0 |
11,11 |
16,67 |
22,22 |
27,78 |
33,33 |
38,89 |
44,5 |
55 |
|||||
|
N |
0 |
21.5 |
25 |
25.5 |
24 |
21.5 |
18 |
13 |
0 |
|||||
|
Таблица 3 - Результаты эксперимента S - образной ионной вертушки. |
||||||||||||||
|
Lsr , % |
0 |
11,11 |
16,67 |
22,22 |
27,78 |
33,33 |
38,89 |
44,5 |
55 |
|||||
|
N |
0 |
17 |
20 |
20,5 |
19 |
17 |
14,5 |
10 |
0 |
3. Выбор оптимальной формы ионной вертушки
По результатам экспериментов нами построены зависимости количества оборотов от геометрических размеров различных типов ионных вертушек в среде MathCAD, которые представлены на рисунке 5. Черным цветом изображен график S-образной, синим - Гобразной, а красным - Р-образной вертушки.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 5 - График зависимостей скоростей вращения от форм (от радиуса кривизны и рабочей длины) трех ионных вертушек: Р-образная форма; Г-образная форма; S-образная форма.
Как видно из графиков, наибольшую угловую скорость за 20 секунд набирает Sобразная вертушка, а наименьшую - Р-образная, следовательно, наиболее оптимальной по форме является ионная вертушка S-образной формы. Следует отметить, что переход от плеча к рабочему участку вертушки должен быть максимально плавным, а ее конец направлен по касательной к траектории движения.
Вывод
1. В ходе исследования автором были разработаны лабораторные модели:
• генератора Ван де Графа, способный генерировать напряжение до 300 кВ;
• 3 типа ионных вертушек различной формы: Р-образная; Г-образная; S-образная.
2. В результате экспериментального исследования трех типов вертушек по критерию КПД (максимальное количество оборотов в течение 20 секунд) была выбрана оптимальная форма ионной вертушки - S-образная форма.
Список литературы
1. Савельев И.В. Савельев И.В. Курс общей физики. В 5-и томах. Том 2. Электричество и магнетизм - Лань, 2011.
2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. -- М.: Высш. шк., 1984. -- 559 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока посредством изменения потока возбуждения. Максимально-токовая защита электропривода. Скоростные характеристики двигателя. Схемы силовых цепей двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 30.03.2014Конструкция синхронного генератора и приводного двигателя. Приведение генератора в состояние синхронизации. Способ точной синхронизации. Процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа. Порядок следования фаз генератора.
лабораторная работа [61,0 K], добавлен 23.04.2012Исследования двигателей Стирлинга для солнечных, космических и подводных энергетических установок, разработка базовых лабораторных и опытных двигателей. Основной принцип работы двигателя Стирлинга, его типы и конфигурации, недостатки и преимущества.
реферат [466,1 K], добавлен 26.10.2013Ускорители заряженных частиц как устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц. Общая характеристика высоковольтного генератора Ван-де-Граафа, знакомство с функциями.
презентация [4,2 M], добавлен 14.03.2016Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Основные элементы конструкции и функции газовой турбины. Поршневые двигатели внутреннего сгорания, их классификация. Два основных класса реактивных двигателей и характеризующие их технические параметры.
презентация [3,5 M], добавлен 24.10.2016Электрический привод с тиристорными преобразователями и двигателями постоянного тока как основной тип привода станков с ЧПУ. Основные характеристики электропривода и тип двигателя постоянного тока. Достоинства и недостатки высокомоментных двигателей.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 14.12.2012Общие понятия и определения в математическом моделировании. Основные допущения при составлении математической модели синхронного генератора. Математическая модель синхронного генератора в фазных координатах. Реализация модели синхронного генератора.
дипломная работа [339,2 K], добавлен 05.10.2008Разработка функциональной и принципиальной схемы коллекторного двигателя. Выбор диодов для выпрямителя. Расчет генератора, сечения и длины проводов для схемы подключения. Схемы соединений и подключений. Монтаж, наладка и эксплуатация устройства.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 25.10.2012Выбор схемы генератора импульсов напряжения и общей компоновки конструкции. Расчет разрядного контура генератора, разрядных, фронтовых и демпферных сопротивлений, коммутаторов импульсной испытательной установки. Разработка схемы управления установкой.
курсовая работа [904,3 K], добавлен 29.11.2012Марки реактивных топлив США и России. Различные марки реактивных топлив для реактивных двигателей самолетов. Основные требования к физико-химическим свойствам реактивных топлив, присадкам. Получение и перспективы производства реактивных топлив в России.
реферат [1,7 M], добавлен 21.03.2013Функционирование асинхронных машин в режиме генератора. Устройство асинхронных двигателей и их основные характеристики. Получение вращающегося магнитного потока. Создание вращающего момента. Частота вращения магнитного потока статора и скольжения.
реферат [206,2 K], добавлен 27.07.2013Общие понятия и определение электрических машин. Основные типы и классификация электрических машин. Общая характеристика синхронного электрического двигателя и его назначение. Особенности испытаний синхронных двигателей. Ремонт синхронных двигателей.
дипломная работа [602,2 K], добавлен 03.12.2008Расчет авиационного генератора с параллельным возбуждением. Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и выпрямительного устройства. Выбор схемы выпрямителя. Зависимость плотности тока в обмотках от мощности трансформатора.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 13.01.2014Предварительный выбор двигателя по мощности. Выбор редуктора и муфты. Приведение моментов инерции к валу двигателя. Определение допустимого момента двигателя. Выбор генератора и определение его мощности. Расчет механических характеристик двигателя.
курсовая работа [81,3 K], добавлен 19.09.2012Характерные особенности воздушно-реактивных и турбореактивных двигателей, основные предъявляемые требования. Показатели качества реактивного топлива, фракционный состав и плотность, вязкость кинематическая и теплота сгорания, нагарообразующие свойства.
презентация [78,4 K], добавлен 26.06.2014Устройство синхронного генератора, экспериментальное подтверждение теоретических сведений о его свойствах. Сбор схемы генератора, пробный пуск и проверка возможности регулирования параметров. Анализ результатов эксперимента, составление отчета.
лабораторная работа [221,2 K], добавлен 23.04.2012Определение напора и расхода воды для гидроэлектростанции, диаметра рабочего колеса, частоты вращения турбины, высоты всасывания и подбор генератора. Расчет энергетических и конструктивных параметров комбинированной ветроэлектрической энергоустановки.
курсовая работа [166,2 K], добавлен 26.12.2015Построение рациональных эксплуатационных режимов асинхронного двигателя, выбор системы управления. Исследование двухмассового динамического стенда на базе математической модели. Техническая разработка лабораторного стенда на базе асинхронного двигателя.
магистерская работа [2,0 M], добавлен 20.10.2015История создания и принцип работы электродвигателя. Способы возбуждения электрических двигателей постоянного тока. Основные типы двигателей и их разновидности. Конструкция двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Принцип работы зажигания двигателя.
презентация [419,0 K], добавлен 05.05.2011Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Прямые газовые изохорные и изобарные циклы неполного расширения. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Процессы, происходящие в поршневых компрессорах.
реферат [1,5 M], добавлен 01.02.2012
