Как работает ионный двигатель в ksp
Как работает ионный двигатель и где он применяется
Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?
Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.
Как работает ионный двигатель
Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.
Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя
Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.
Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.
Схематичное изображение работы ионного двигателя.
Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.
Преимущества ионного двигателя для космического корабля
Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.
В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.
Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.
Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.
Недостатки ионных двигателей
Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.
Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.
Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.
Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.
По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.
Где используются ионные двигатели
Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.
В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.
Космический аппарат BepiColombo.
Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.
Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.
Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе
Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.
Когда изобрели ионный двигатель
При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.
В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.
Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.
По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.
Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется
В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.
Real Solar System в Kerbal Space Program для дилетантов #2
Добрый вечер, Инженеры. Отдельно приветствую моих первых подписчиков 🙂
Кракен из KSP настиг меня даже на пикабу! Пишу этот пост уже третий раз, надеюсь сейчас получится.
Первую записку про покорение космоса вокруг Земли в KSP приняли достаточно тепло, значит, продолжаем. Если кто не видел, милости прошу.
Осторожно, многабукаф_и_картинок. Я вас предупредил. (◉◡◉)
В комментариях к прошлому посту отмечали неуместное использование стоковых компонентов. Да, я осознаю, что ванильные движки и баки были заточены под Кербинские масштабы, и ракеты на реальной Земле с ними получаются куда тяжелее. Но освоение реализма стоит начинать потихоньку. Через некоторое время мы доберемся до реальных движков, конфигов и прочих страшных штук. Спешить не стоит.
В сегодняшней записке начнем конструировать нашу первую ракету, обсудим основные моменты.
Назначения управляющего модуля, солнечных панелей, батарейки и SAS, думаю, очевидны. Конусный бак сверху больше для эстетики, на нем так же размещаю антенны:
А) всенаправленная, Communotron-16s, стоковая деталь, имеет самый большой радиус действия из «неломающихся» всенаправленных, 1500km. Используется во время полета в атмосфере.
Б) всенаправленная, Communotron-32, из Remote Tech, имеет самый большой радиус действия из раскладных всенаправленных, 5000км. Для связи на низкой орбите между аппаратами и с наземными станциями.
В) направленная, Communotron DTS-M1, стоковая деталь. Радиус действия 50 000км, достанет до геостационарного спутника, уго раскрытия сигнала 45 градусов.
Сверху на баке сидит теплощит. Периодически я топлю спутники в океане, люблю наблюдать за спуском в атмосфере. В KSPшной реальности этот щит помогает спутнику не сгореть при аэроторможении. (⊙_⊙)
В самом низу находится процедурный бак для Ore. Это очень плотная субстанция в игре, такой бак удобно использовать в качестве груза.
Используя эту конструкцию, можно получить от 2 тонн веса. В нашем случае я возьму с собой целых 8 тонн, так как ракета будет применяться для вывода спутников на геостационар, а это влечет за собой дополнительные затраты топлива.
Если есть желание строить ракеты экстра-легкого класса, то следует взять детали на диаметр 1.25. Так же можно не париться со связью, взяв управляемый модуль. Но лично мне жалко кербонавтов, я ж не живодер.
Так, с кораблем вроде разобрались, ставим декуплер, кутаем в обтекатель и переходим к ступеням ракеты.
Здесь стоит обсудить показания DeltaV Status от MechJeb’a.
Здесь вывел все, что умеет он показывать. Забегая вперед, это показания для построенной в этом посте ракеты. Обсудим самое основное.
Нумерация ступеней идет в направлении от корабля к стартовым двигателям, будем придерживаться этой терминологии.
Для 4-ступенчатой ракеты мною были найдены оптимальные значения тяговооруженности каждых ступеней:
При построении ракеты стоит придерживаться этих значений и будет нам счастье.
Крайне важным моментом в построении ракеты является выбор двигателей. Именно поэтому мне было крайне сложно приходить в реализм на полноценных сборках. Двигателей много, их вариантов еще больше, головокружительное многообразие. В нашем случае используются привычные стоковые двигатели не по назначению.
Для ступени 1 стоит выбирать максимально эффективный двигатель. Poodle, настало твое время!
Добавляем бак, щелкаем на него правой кнопкой мыши, видим параметры настройки:
Поигравшись с размерами, устанавливаем такой объем бака, чтобы TWR текущей ступени был 1.0, как сказано выше.
Переходим к ступени 2. Здесь нужен двигатель в несколько раз мощнее, при этом все еще макисмально эффективный. Rhino идеальный кандиат:
Тяга как у 8 пуделей, эффективность не сильно ниже. Повторяем алгоритм подбора размера бака, добиваясь TWR 1.2, с той лишь разницей, что диаметр нового двигателя больше. Ставим процедурный консусный бак сверху и радуемся:
Сразу скажу, что можно сделать ракету одного диаметра по всей длине, но такой подход не всегда дает красивый результат, плюс есть некоторое неудобство при использовании двигателей другого диаметра:
Здесь двигатель на 2.5м стоит на баке 3.75м. Если будем использовать стандартный кожух двигателя, получим инвалидного уродца. Приходится сооружать к нему такой костыль в виде промежуточного обтекателя, замкнутого на бак верхней ступени. Ну, хоть что-то.
В конце поста я приведу пример «ровной» ракеты с теми же характеристиками, какие мы получим при «пузатой».
Пора приступать к постройке 3 ступени. И здесь выбор двигателя не так прост, как кажется.
Но при его использовании и соблюдении ограничения на TWR, получаем слишком маленький бак на 3 ступени.
И. находим одну интересность в виде двигателя Vektor.
По сути, это четвертинка Мамонта. Только диаметром 1.25м. И еще с парой плюшек в комплекте.
Плюшка раз: это единственный маршевый двигатель, который можно прикрепить на любую поверхность топливного бака, а не только на точку привязки
Отлично, пошли запускать
То есть, используя симметрию, можно поставить несколько двигателей на свободную нижнюю поверхность бака вокруг одного центрального. И тут скрывается еще одна фишка:
Двигатели можно устанавливать с наложением! И никаких проблем не будет. Ни перегрева, ни спонтанных взрывов, ни расколбаса.
Что же получается, можно усеять этими двигателями всю поверхность бака и получить ракету с бесконечной тягой? Ну, в теории да. Но я стараюсь делать более-менее реальную картину.
Итак, нам нужно много тяги. Эмпирическим методом научного тыка мною было установлено, что для этой ракеты хорошо бы иметь 9 двигателей. Собственно, 1 в центре и 8 по периметру. Да, немного накладываются при таком диаметре баков, но жить можно:
Использовать 7 штук маловато. 9 в самый раз.
Повторяем шаманство с размером бака 3 ступени. При этом на всякий случай ориентируемся на SLT 1.5, вдруг нам хватит уже ступеней:
9081, мы на финишной прямой!
Можно добавить снизу еще одну ступень, но тогда мы получим концепцию советской H1, судьбу которой мы все прекрасно помним. Вместо этого вспомним про такую прекрасную вещь, как твердотопливные ускорители!
Поставив 12 штук (2 партии по 6 красиво встают), настроив запуск ТТУ одновременно с 9 Векторами, видим заветные 9575 дельты! Ура, товарищи!
Но, мы же инжерены, надо довести все до идеала! При установке ТТУшек у нас поехали значения TWR на 3 и 4 ступенях. Увеличиваем бак 3 ступени до правильных 1.5 SLT на старте:
Проведем шаманство с баками нашего корабля и ракеты в следующей последовательности:
С выбранным нами набором двигателей и заданными значениями TWR ступеней, наша малышка может вывести почти 11 тонн! Для первой ракеты более чем достаточно.
Да уж, крупновато получилось описание. Но реальность ракетостроения в хардкорном реализме включает в себя в разы больше тонкостей! Что уж говорить о настоящих ракетах. А вы все о падающих Протонах говорите.
Прилагаю обещанную стройную близняшку:
Технически, ракеты идентичны, но эта, на мой взгляд, слишком длинной выходит. Тут уж каждый сам решайте, какую стратегию брать.
На этом закончу сегодняшнее повествование.. Время уже за 3 часа ночи, а сел писать я в 8 вечера.. Отметил закрытие сессии называется. Спасибо, Кракен!
Спасибо всем, кто дочитал. В следующей записке мы будем запускать нашу красотку.
Если расскажете, как прикреплять сторонние файлы к посту, то поделюсь крафтами. Список модов будет в комментариях.
Найдены дубликаты
Kerbal Space Program
204 поста 1.2K подписчиков
Правила сообщества
— выкладывая свои крафты оставляйте модлист. Если включили такие моды как RO или RP-0, то требуемые для них модификации можно не писать.
— выполняйте правила Пикабу.
— опытные игроки, будьте готовы к тому что в сообществе могут быть новички. Не проявляйте агрессию, даже если что-то вам покажется «нубским».
— у нас не матерятся.
В комментариях к прошлому посту отмечали неуместное использование стоковых компонентов.
Если расскажете, как прикреплять сторонние файлы к посту, то поделюсь крафтами.
никак. Только ссылки, либо картинки, либо видео.
в следующем посте, вангую, ты возьмешься за struts (либо автостяжки) 🙂 К сожалению, ксп это нужно. Хотя, может, благодаря KJR это и не потребуется.
могу порекомендовать мод FS Hangar Extender. Удобное расширение для ангара, включая автостяжки и автоматический rigid на все детали.
https://github.com/Alewx/FShangarExtender/releases
а народ серано будет писать))
да, про hangar extender не заметил че-то, подумал про стяжки и вспомнил его клевую фичу.
это при использовании FAR, а текущая аэродинамика достаточно доведена до ума в общем-то.
А стоковое соотношение размера планет, к соотношению размера и мощности оборудования, не соответствует реальности?
Странная конфигурация. Интересно чем руководствовались разработчики? Почему нельзя было взять реальные данные. А нет модификаций, на реалистичные движки?
Он весит в 10 раз меньше Земли. А объем имеет в 1000 раз меньше. Т.е. плотнее в 100 раз
сложно сказать, я то ли забыл, то ли не учил матчасть. В любом случае стоковая ракета для доставки, например, простейшего однотонного спутника имеет диаметр 1.25м. В RSS ракета для такой же «болванки» будет побольше.
Забыл про такой важный момент, что в атомсфере TWR и дельта падает
О, знакомые все лица!
Дык. Несу просвещение, всё такое, посильная помочь, опять же.
Разница в эффективности прямо следует из чрезмерной массы стоковых движков. Я вообще не понимаю, к чему эти мазохисткие извращения)
Ну вот примерный профиль вывода. Вторая ступень с твр 0.67, общее время вывода все те же 9 с половиной минут. И да, задирать нос в RO выгоднее, чем увеличивать тяговооруженность, а в стоке так и подавно. Строгий прогрейд нужен на начальной стадии, чтобы получить настильную траекторию и избежать гравипотерь, а наверху можно и компенсировать нехватку времени на разгон. И так делают в реальности практически все)
Баянометр, ты пьян, иди домой
Больше постов не будет?
KSP RSS RO RP-1 | Космос, космос и ещё раз космос
*Внимание. Описанные в посте события не являются реальной хроникой, это лишь прохождение игры с модификациями. О ней и о этих модификациях вы можете узнать в конце поста*
Выйдя на орбиту, корабль стал ожидать момента для совершения маневра и захода на рандеву. И вот этот момент настал, хотя для космонавтов это, пожалуй, одно из самых стандартных событий в полете, как для обычного человека поездка на поезде
Вскоре покорители космоса сблизились со станцией, а корабль в автоматическом режиме пристыковался к ней. Стыковочные крюки кепко-накрепко закреплены, давление одинаковое, а значит пора открывать люки. Затем открывается доступ к провианту из транспортного КА, причалившего ещё во время первой миссии, и, спустя сутки отдыха, космонавты начнут работать, проводить научные эксперименты, выходы в открытый космос. На станции им предстоит провести 4 месяца
КА вышел на расчётную орбиту, однако самое сложное только начинается. Особенность данного полёта в том, что маневр производится дважды. Это связанно с тем, что установленный на РБ* двигатель С1.5400, имея сравнительно небольшую тягу, не позволял выполнить маневр за 1 заход. Но он имел несколько зажигание, что и сыграло на руку конструкторам. Также в полете был отработан выход на орбиту свободного возврата,как в случае отказа двигателей при пилотируемой полете
Спустя несколько суток аппарат производит торможение у Луны, проводит исследования на орбите в течение 4 дней. На 165 часу полёта Луна-8 понижает периселение для посадки. И ещё через пол витка, находясь в 3 минутах от нижней точки орбиты происходит включение двигателя посадочного блока. Вскоре в ЦУП-е слышно: «Есть контакт с поверхностью»
При помощи роботизированного ковша были собраны образцы, затем перемещены в специальный контейнер. Если быть точнее, то за несколько заходов небольшие кучки грунта собирались и отправлялись ожидать приземления внутри аппарата. И спустя 5 часов от посадочной ступени отделился корабль, зажглись двигатели, КА начал выход на орбиту Луны
Но, вопреки опаскам, Луна-8 благополучно вернулась на Землю, принеся буквальном смысле плодотворную почву для дальнейших исследований, приблизив конструкторов к тому моменту, когда советский человек ступит на поверхность Луны
Спустя 1 день от земли оторвался Спутник-6, ещё 2 днями позже в космос полетел Спутник-7. Ввиду технических проблем запуск последнего аппарата был перенесён на 25 июня
В день запуска Спутника-8 от станции Фотон-1 отстыковался корабль с экипажем. Отлетев от станции на достаточное расстояние КК повернулся в нужном направлении
— Включение ДУ
-Двигатели запущены, двигатели работают стабильно
— Отключение ДУ
— Двигательная установка отключена
— Отделение агрегатного отсека, включение программы посадки
— Агрегатный отсек отстыкован, спускаемый отсек сориентировать для захода в атмосферу
Экипаж благополучно приземлился, доказав надёжность КК Зевс и качество орбитальной станции Фотон-1
KSP RSS RO | Гайд | Разбор модов Kerbalism, RealAntennas и авионики из RP-1 и немного о реальном ракетостроении
Всем доброго времени суток, в этом посте я хочу затронуть такую на мой взгляд немаловажную тему, как модификации, увеличивающие уровень реализма в игре. Речь пойдет о СЖО (о моде Kerbalism), радиосвязи (RealAntennas и сравнение с RemoteTech) и о мало затронутой мною прежде авионике, добавляемой модом RP-1. А также расскажу о том, как все эти моменты реализуются в реальной жизни
Скорость сигнала. Теперь, чем дальше вы от объекта, с которым идет связь, тем меньше информации вы можете передать за секунду. Посмотреть скорость связи можно в ангаре в разделе Antenna Planning (скрин выше). В параметре Planning Altitude вы можете просмотреть какая скорость будет на той или иной высоте от Земли. Transmit и Recieve показывают скорость передачи данных. Все они должны быть больше нуля. Также можно просмотреть какая скорость будет между Землей и другой планетой, кнопочка Antenna Planning GUI, по скрину ниже все понятно
Также кораблю нужен фильтр(-ы). Они избавляют атмосферу от CO2, не давая умереть экипажу. Они могут работать по разному. На скрине выше вы видите фильтр на гидроксиде лития (LiOH) и на оксиде калия (K2O). Подобного рода фильтры (на определенном веществе) требуют соответствующий ресурс на корабле и преобразуют CO2 в отходы (Waste), и могут выдавать побочные продукты (K20 дает дополнительно кислород). Если емкости для мусора заполнятся, то фильтры перестанут работать. Подобные фильтры вы могли видеть, например, в фильме Аполлон-13. Также есть Vacuum Scrubber. Это фильтр, который откачивает углекислый газ в отдельную емкость. Если емкость заполнена, то фильтр не работает. В принципе тут все тоже схоже с реальностью: также нужен наддув, и фильтры. Нет лишь одного важного момента: кислородный наддув очень опасен: от малейшей искры корабль загорится. Также от переизбытка кислорода может наступить отравление.
Отравление может возникнуть и при обычном давлении в случае длительного (несколько суток) вдыхания смеси, содержащей более 60% кислорода. Фрагмент из Википедии
На этом пост заканчивается, если что-то забыл или где-то ошибся, то поправьте. Попытался уместить в пост как можно больше информации и как можно понятнее (надеюсь). Всем удачных полетов.