Двигатель ванкеля википедия – Электрический ракетный двигатель термический — Википедия

Ванкель, Феликс — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

В Википедии есть статьи о других людях с фамилией Ванкель.

Феликс Генрих Ванкель (нем. Felix Heinrich Wankel) — соавтор изобретения роторно-поршневого двигателя (так называемого двигателя Ванкеля), конструкция которого была впервые показана в 1957 году, вместе с инженером компании NSU Вальтером Фройде, которому и принадлежала идея данной конструкции двигателя. Ванкель всю жизнь работал над созданием другого мотора с простым вращением взаимодействующих роторов.

Вместе с Вальтером Фройде и своей группой он провел обширные исследования механических уплотнений вращающихся клапанов (золотников). Они сформулировали также требования к эффективным подвижным уплотнениям.

Ванкель никогда не имел водительских прав, так как с детства страдал крайней близорукостью. Он не владел основами высшей математики, полагаясь на своё исключительное чувство пространства.

Родился 13 августа 1902 года в Ларе в семье Герти Ванкель (урождённой Хайдлауфф) и Рудольфа Ванкеля. Рудольф Ванкель погиб во время Первой мировой войны в 1914 году. В следующем году семья переехала в Гейдельберг.

Феликс Ванкель не смог ни поступить в университет, ни получить рабочую специальность. Самостоятельно изучая технические дисциплины, Ванкель в 1924 году пришёл к идее роторно-поршневого двигателя (РПД).

В 1921 году Ванкель вступил в НСДАП, но в 1933 году оказался среди противников Гитлера и провёл полгода в тюрьме.

В 1936 году прототип его роторного двигателя заинтересовал BMW; Ванкель получил финансирование и собственную мастерскую в Линдау для разработки опытных авиадвигателей под патронажем геринговского министерства авиации.

В 1936 году Ванкель женился на Эмме Кирн, детей у них не было.

В 1945 году оборудование Ванкеля было вывезено во Францию по репарациям. В 1951 году с помощью фирмы «Гётце» Ванкель возобновил исследования/

В 1954 году он, наконец, нашёл оптимальную конфигурацию камеры сгорания РПД.

В 1958 году NSU выпустило первый автомобиль с упрощённым вариантом РПД, однако самого конструктора эта реализация не удовлетворила.

С 1960 года Ванкель работал в новом исследовательском центре в Линдау.

В 1964 году в фирме NSU появился двигатель оригинальной конструкции Ванкеля Ro 80 (всего было выпущено около 40 000 таких машин). В 1959—1970 патент Ванкеля приобрели все крупнейшие автопроизводители западного мира, однако в 2007—2008 годах машины с роторно-двигателем конструкции Ванкеля и Фройда производятся только под маркой Mazda и ВАЗ.

Умер 9 октября 1988 года Гейдельберге.

Двигун Ванкеля — Вікіпедія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Роторно-поршневий двигун

Двигун Ванкеля — роторний бензиновий двигун, сконструйований німецьким інженером Феліксом Ванкелем (Felix Wankel, 1902-1988) у 1950-х. Працює за тим же принципом, що і чотиритактний бензиновий двигун, але такти проходять у різних секторах камери в просторі між стінками двигуна і трикутним поршнем-ротором. Двигун Ванкеля має простішу конструкцію і менші розміри, ніж поршневий чотиритактний двигун, при його використанні енергія обертання виникає відразу ж (без участі колінчатого вала).

Особливість двигуна — застосування тригранного ротора (поршня), що має вигляд трикутника Рело, що обертається усередині циліндра спеціального профілю, поверхня якого виконана по епітрохоїді (можливі й інші форми ротора і циліндра[1]).

Цикл двигуна Ванкеля: впускання (блакитний), стиснення (зелений), робочий хід (червоний), випускання (жовтий) Анімаційне зображення чотирьох тактів

Двигун Ванкеля використовує чотирьохтактний цикл:

І такт: Паливно-повітряна суміш через впускне вікно надходить до камери двигуна

ІІ такт: Ротор обертається та стискає суміш, що запалюється електричною іскрою

ІІІ такт: Продукти горіння тиснуть на поверхню ротора, передаючи зусилля на циліндричний ексцентрик

IV такт: Ротор, що обертається, витискує відпрацьовані гази у випускне вікно

Головний вал з ротором—поршнем двигуна Wankel DKM54 Мініатюрний двигун Ванкеля об’ємом 5 см³ для авіамоделей
  • На 30–40% менше деталей
  • Мала відносна вага
  • Компактність
  • Велика тяга та пружність
  • Можливість легкого переходу на водень
  • Нечутливість до гіроскопічного ефекту[2]
  • Неповне згоряння паливо-повітряної суміші
  • Зменшення економності
  • Недостатня чистота викидів
  • Неможливий дизельний РПД
  • Порівняно великі витрати мастила для змащування деталей
  • Необхідність додаткових заходів для усунення вібрації корпусу двигуна[2]

розроблено в компанії Be-Rex (Нідерланди))[2]

  1. ↑ Різні варіанти конструкції роторно-поршневого двигуна Архівовано 4 жовтень 2011 у Wayback Machine. (англ.)
  2. а б в Слюсар, В.І. (2019). Пошук джерел сили. Проблемні аспекти енергетичного менеджменту транспортних платформ – з урахуванням основних трендів та підходів наукових структур НАТО..
    Defense Express. — 2019, № 8 (серпень)
    . с. 38 – 41. 

Ванкеля двигатель — это… Что такое Ванкеля двигатель?

Роторно-поршневой двигатель в разрезе.

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 инженером компании NSU Вальтером Фройде (англ.), ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя. [1]

Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск (жёлтый)

Роторно-поршневой двигатель

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот ванкель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Преимущества, недостатки и их разрешение

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями

  • низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
  • главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного двигателя внутреннего сгорания.
  • Малая удельная масса при высокой удельной мощности, причины:
  1. Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны.
  2. К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличии от одноцилиндрового поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала. (современный серийный РПД с объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с турбокомпрессором — 350 л.с.)
  • меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35—40 % число деталей

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель способен выдерживать бо́льшие обороты с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя.

В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.

Важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.

Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения была разрешена применением высоколегированной стали.

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.

Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Высокие требования к точности исполнения деталей делают его сложным в производстве. Оно требует высокотехнологичного и высокоточного оборудования — станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

Применение

NSU Ro80.

Двигатель разрабатывался изначально именно для применения на автотранспорте. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Wankelspider.

Первый массовый (37,204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro80. Автомобиль имел достаточно инноваций и помимо двигателя — в частности, кузов с рекордно-низким аэродинамическим сопротивлением, полуавтоматическую коробку передач с гидротрансформатором, блок-фары, и так далее. Ro80 отличалась не только уникальной конструкцией, но и передовым дизайном, который оказался непонятен публике середины шестидесятых; через десять лет именно он был положен в основу стиля моделей «Ауди» 100 и 200 поколения C2.

К сожалению, ресурс двигателя оказался весьма мал (ремонт требовался уже после пробега порядка 50 тыс. км), поэтому автомобиль заслужил плохую репутацию и относительно малоизвестен. На многих сохранившихся автомобилях оригинальный двигатель заменён на поршневой V4 «Essex» фирмы Ford.

Citroën также экспериментировал с РПД — проект Citroën M35.

После этого серийное и мелкосерийное производство роторно-поршневых двигателей Ванкеля производились только фирмой ВАЗ, в конечном счёте взявшим за основу конструкцию двигателя

Современные двигатели

Инженерам фирмы Euro IV. Двухцилиндровый двигатель «Renesis» объёмом всего 1,3 л выдаёт мощность в 250 л. с. и занимает гораздо меньше места в моторном отсеке. Следующая модель двигателя Renesis 2 16X имеет меньший объём, но бо́льшую мощность, меньше нагревается.

Автомобили марки [2] могут использовать в качестве топлива как бензин, так и водород. Это явилось вторым витком роста внимания к РПД двигателю со стороны разработчиков. Двигатель успешно может использовать водород, так как менее чувствителен к детонации, чем обычный двигатель, использующий возвратно-поступательное движение поршня.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, и масла от 0,4 л до 1 л на 1000 км (для двигателей Mazda 0,4 — 0,6 л.). В настоящее время исследование этого типа двигателя активно ведёт японский автоконцерн

Авиационные двигатели

В начале 50-х годов была создана серия авиадвигателей ВП-760, ВП-1300, ВП-2650 — пятилучевых двухтактных звёзд мощностью от 40 до 130 л. с. и весом от 25 до 100 кг авиационного инженера В.Полякова, созданных для лёгкой авиационной техники и прошедших успешные испытания в небольшой серии в ДОСААФ. [3]

Сноски

  1. Иван Пятов. РПД изнутри и снаружи, Журнал Двигатель, № 5-6 (11-12) сентябрь-декабрь 2000
  2. первые буквы от названия «Renesis», производным от слов (англ. Rotary Engine:роторный двигатель и Genesis:процесс становления, название говорящее о появлении нового класса двигателей)
  3. альманах АэроМастер, №1/98г, Новосибирск.

Литература

  • Роторно-поршневой двигатель // Большая советская энциклопедия

Ссылки

РПД СССР/России

Авиационные РПД

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

Двигатель Ленуара — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 апреля 2015; проверки требуют 7 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 апреля 2015; проверки требуют 7 правок. Двигатель Ленуара в двух проекциях. Двигатель Ленуара (музейный экспонат).

Двигатель Ленуара — исторически первый серийно выпускавшийся двигатель внутреннего сгорания, запатентованный 24 января 1860 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром.

На конструкцию одноцилиндрового двухтактного газового двигателя заметное влияние оказали технические решения, использованные в паровой машине Уатта: поршень двойного действия (рабочими ходами являются и прямой и обратный), золотниковый механизм, управляющий подачей рабочего тела в цилиндр и удалением отработанного. Только рабочим телом является не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Рабочий процесс двигателя Ленуара можно рассмотреть, начиная с движения поршня из одного из крайних положений. При этом золотники установлены в позицию, при которой в рабочую (расширяющуюся) полость цилиндра поступает воздух и светильный газ, а из другой полости поршнем вытесняются продукты сгорания, образовавшиеся в предшествующем такте. На этой стадии цикла движение механизма происходит за счёт инерции маховика. Когда объём рабочей полости достигнет некоторой величины, определяемой кинематикой механизма, золотник перекрывает подачу топливной смеси, и на свечу зажигания подаётся высоковольтный электрический разряд, топливная смесь воспламеняется и сгорает прежде, чем поршень успевает значительно продвинуться, то есть практически при постоянном объёме. При этом давление и температура газа в рабочей полости многократно увеличиваются, он расширяется и совершает работу, двигая поршень до крайнего положения, противоположного начальному, при этом золотник перемещается в позицию выпуска отработанного газа. После прохождения мёртвой точки (за счёт инерции маховика) процесс повторяется при обратном ходе поршня.

Газовый двигатель был менее громоздким и тяжёлым в сравнении с паровыми, проще в управлении, при запуске не требовал длительной подготовки (разогрева котла), а в стационарном режиме работал полностью автоматически, тогда как для работы паровой машины требовалось постоянное участие кочегара. По этим причинам газовый мотор сразу привлёк к себе внимание потребителей.

Этих двигателей было выпущено свыше 300 единиц (по некоторым источникам — до 500) несколькими французскими фирмами, на которых Ленуар размещал заказы на изготовление. Они использовались как стационарные, судовые, как приводы локомотивов и дорожных экипажей. Но после появления в продаже четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания конструкции Николауса Отто (принцип действия которого широко используется и сегодня), двигатель Ленуара быстро теряет свои позиции на рынке, и, в конце концов, вытесняется двигателем Отто.

Двигатель Ленуара значительно уступал конкуренту по термическому КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра. Двигатель с 18-литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным.

Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара — относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении) и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу) не помогли ему выдержать конкуренцию.

В технической термодинамике рабочий процесс двигателя Ленуара описывается циклом Ленуара.

Калильный карбюраторный двигатель — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 февраля 2016; проверки требуют 3 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 февраля 2016; проверки требуют 3 правки. Калильные двигатели (верхние полки).

Кали́льный карбюра́торный дви́гатель — один из типов карбюраторных поршневых двигателей внутреннего сгорания, особенностью которого является воспламенение топливо-воздушной смеси в цилиндре при помощи калильной свечи. Применяется для моделей самолётов, вертолётов, автомобилей, глиссеров.

Внутри калильно-каталитической свечи имеется спираль из платино-иридиевого или платино-родиевого сплава, которая при повышенной температуре каталитически поджигает горючую смесь. Существуют также обычные калильные свечи, в которых катализ не используется.

Во время запуска к свече подключают электрическую батарею, от которой спираль раскаляется и воспламеняет горючую смесь. Когда двигатель запустился, напряжение на калильно-каталитической свече отключают, так как рабочая температура спирали поддерживается высокой температурой продуктов сгорания.

Калильные двигатели, как правило, работают на топливе, состоящем из метанола в смеси с касторовым маслом. В качестве присадки, повышающей мощность двигателя, применяют нитрометан. Топливо-воздушная смесь готовится в карбюраторе.

Применяются двухтактные или четырёхтактные двигатели. Наибольшее распространение имеют одноцилиндровые атмосферные двигатели. Реже встречаются оппозитные двухцилиндровые. К экзотике можно отнести роторные[1], рядные многоцилиндровые[2], звездообразные[3], инжекторные и двигатели с турбонаддувом.

Классификация[править | править код]

Распространена классификация калильных двигателей, выражаемая в сотых долях кубического дюйма. Несколько распространённых примеров:

  • 15 класс (2,5 см³)
  • 21 класс (3,5 см³)
  • 25 класс (4 см³).
  • 30 класс (4,9 см³)
  • 35 класс (5,8 см³)
  • 40 класс (6,5 см³).
  • 46 класс (7,5 см³).
  • 50 класс (8,5 см³).
  • 61 класс (10 см³).
  • 90 — 91 класс (≈15 см³).
  • 108 класс (≈18 см³).
  • 120 класс (≈20 см³).
  • 140 класс (≈23 см³).
  • 160 класс (≈26 см³).
  • 180 класс (≈30 см³).

Радиоуправляемые авиамодели часто классифицируют по объему подходящего двухтактного калильного двигателя, выражаемого в сотых долях кубического дюйма. Модель при этом может быть оснащена 4-тактным или электродвигателем. Такая эквивалентная классификация используется лишь для удобства сравнения.

Калильное зажигание на двигателе с электрической системой зажигания[править | править код]

В некоторых случаях бензиновый двигатель внутреннего сгорания с электрической системой зажигания может работать как калильный двигатель. Например, при выключенном зажигании двигатель не останавливается, работает, хотя и неустойчиво.

Данное явление возникает, когда свечи зажигания покрыты нагаром (слоем раскалённой сажи) или применены свечи с ненадлежащим калильным числом (на форсированный или термически напряжённый двигатель установлены «горячие свечи»). Например, в двигателе автомобиля «Запорожец» вместо свечей А23 применены А11. Возникает преждевременное зажигание, двигатель теряет мощность, появляются «стуки».

Этот режим работы ненормальный, его надо устранять ремонтом или регулировкой двигателя.

В современных двигателях карбюраторы имеют электромагнитный клапан, перекрывающий подачу топлива при выключенном зажигании, поэтому при остановке двигателя калильное зажигание заметить трудно (а также в двигателях с системой впрыска).

Ионный двигатель — Википедия

Ионный двигатель
Deep Space 1 ion engine.jpg
Ионный двигатель NSTAR американской АМС Deep Space 1
Тип электрический ракетный двигатель
Топливо ионизированный инертный газ
Время эксплуатации более 3 лет[1]
Применение управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель небольших автоматических космических станций[1]
Тяга 20—250 мН[1]
Потребляемая мощность 1—7 кВт
КПД 60—80 %
Скорость истечения 20—50 км/с
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Ионный двигатель — тип электрического ракетного двигателя, принцип работы которого основан на создании реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле[1]. Достоинством этого типа двигателей является малый расход топлива и продолжительное время функционирования (максимальный срок непрерывной работы самых современных образцов ионных двигателей составляет более трёх лет)[1]. Недостатком ионного двигателя является ничтожная по сравнению с химическими двигателями тяга[1]. По сравнению с двигателями с ускорением в магнитном слое ионный двигатель обладает большим энергопотреблением при равном уровне тяги. Ионные двигатели используют повышенные напряжения, обладают более сложной схемой и конструкцией, что усложняет решение задачи обеспечения высокой надёжности и электрической прочности двигателя.[2]

Сфера применения: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) и использование в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций[1].

Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона[1]. Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn: впервые — 5 июня 2010 года[3], а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39 900 км/ч[4] (11,1 км/с).

Ионный двигатель характеризуется малой тягой и высоким удельным импульсом. Ресурс работы оценивается в диапазоне 10 тысяч — 100 тысяч часов. В настоящее время разрабатывается новое поколение ионных двигателей, рассчитанных на расход 450 килограммов ксенона, чего хватит на 22 тысячи часов работы при максимальном форсаже. Причинами отказа могут стать износ ионной оптики, катодной диафрагмы и держателя для плазмы, истощение рабочего материала в каждой катодной вставке и откол материала в разрядной камере. Согласно проведенным тестам при удельном импульсе больше 2000 s первым произойдет структурный отказ ионной оптики при использовании 750 килограммов топлива, что в 1,7 раза превышает квалификационные требования. При удельном импульсе меньше 2000 s прототип может удвоить расход потребляемого топлива[5].

Commons-logo.svg Испытания ионного двигателя на ксеноне

Принцип работы двигателя заключается в ионизации газа и его разгоне электростатическим полем. При этом, благодаря высокому отношению заряда к массе, становится возможным разогнать ионы до очень высоких скоростей (вплоть до 210 км/с[6], по сравнению с 3—4,5 км/с у химических ракетных двигателей). Таким образом, в ионном двигателе можно достичь очень большого удельного импульса. Это позволяет значительно уменьшить расход реактивной массы ионизированного газа по сравнению с расходом реактивной массы в химических ракетах, но требует больших затрат энергии. Технические характеристики ионного двигателя: потребляемая мощность 1—7 кВт, скорость истечения ионов 20—50 км/с, тяга 20—250 мН, КПД 60—80 %, время непрерывной работы более трёх лет. В существующих реализациях ионного двигателя в качестве источника энергии, необходимой для ионизации топлива, используются солнечные батареи.[1]

Рабочим телом, как правило, является ионизированный инертный газ (аргон, ксенон и т. п.), но иногда и ртуть. В ионизатор подаётся топливо, которое само по себе нейтрально, но при бомбардировании высокоэнергетическими электронами ионизируется. Таким образом, в камере образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные ионы притягиваются к системе извлечения, состоящей из двух или трёх сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 Вольт на внутренней против -225 Вольт на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов. Это делается, во-первых, для того, чтобы корпус корабля оставался нейтрально заряженным, а во-вторых, чтобы ионы, «нейтрализованные» таким образом, не притягивались обратно к кораблю[1].

Недостаток двигателя в его нынешних реализациях — очень слабая тяга (порядка 50—100 миллиньютонов). Таким образом, нет возможности использовать ионный двигатель для старта с планеты, но, с другой стороны, в условиях невесомости, при достаточно долгой работе двигателя, есть возможность разогнать космический аппарат до скоростей, недоступных сейчас никаким другим из существующих видов двигателей.

Работающая модель ионного двигателя, действующая на основе отбрасывания заряженных ионов воздуха с проводящего острия под высоким напряжением, может быть создана в домашних условиях[7][8]

Ионный двигатель является первым хорошо отработанным на практике типом электрического ракетного двигателя. Концепция ионного двигателя была выдвинута в 1917 году Робертом Годдардом[9], а в 1954 году Эрнст Штулингерruen детально описал эту технологию, сопроводив её необходимыми вычислениями[10].

В 1955 году Алексей Иванович Морозов написал, а в 1957 году опубликовал в ЖЭТФ статью «Об ускорении плазмы магнитным полем»[11][12]. Это дало толчок к исследованиям, и уже в 1964 году на советском аппарате «Зонд-2» первым таким устройством, выведенным в космос, стал плазменно-эрозионный двигатель конструкции А. М. Андрианова. Он работал в качестве двигателя ориентации с питанием от солнечных батарей[13].

Первый американский функционирующий ионный электростатический двигатель (создан в США в НАСА John H. Glenn Research Center at Lewis Field) был построен под руководством Гарольда Кауфманаruen в 1959 году. В 1964 году прошла первая успешная демонстрация ионного двигателя в суборбитальном полёте (SERT I)[1]. Двигатель успешно работал в течение запланированной 31 минуты. В 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе (SERT II)[14]. Малая тяга и низкий КПД надолго отвадили американских конструкторов от применения электрических и ионных двигателей.

Тем временем в Советском Союзе продолжалась разработка и улучшались характеристики. Были разработаны и применялись различные типы ионных двигателей на различных типах космических аппаратов. Двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100[15], и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года[16].

В качестве основного (маршевого) двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1, запущенный 28 сентября 2003 года[17], и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года[1].

Следующим аппаратом НАСА, обладающим маршевыми ионными двигателями, стала (после ряда замораживаний и возобновления работ) АМС Dawn, которая стартовала 27 сентября 2007 года. Dawn предназначен для изучения Весты и Цереры и несёт три двигателя NSTAR, успешно испытанных на Deep Space 1[1].

Европейское Космическое Агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник[1].

Впервые ионный двигатель появился в фантастике в 1910 году — в романе Дональда В. Хорнера «Аэроплан к солнцу: приключения авиатора и его друзей»[18][19]. Ионный двигатель широко представлен в фантастической литературе, компьютерных играх и кинематографе (так в «Звёздных войнах» экономичный ионный двигатель развивает скорость до трети световой и используется для перемещения в обычном пространстве на небольшие по космическим меркам расстояния — например в пределах планетарной системы[20]), но для практической космонавтики стал доступен только во второй половине XX века. Реальный ионный двигатель по своим техническим характеристикам (и в первую очередь по силе тяги) значительно уступает своим литературным прообразам (так Эдгард Чуэйри образно сравнивает ионный двигатель с автомобилем, которому нужно двое суток для разгона с 0 до 100 км/ч)[1].

Действующие миссии[править | править код]

  • Starlink — проект компании Илона Маска SpaceX по выведению спутников на околоземную орбиту для создания глобальной сети интернет. Технология используется для маневрирования спутников и избежания их столкновения с космическим мусором[источник не указан 232 дня].
  • Artemis[17]
  • Хаябуса-2
  • BepiColombo. Запущен 20 октября 2018 года. ЕКА использует ионный двигатель в этой меркурианской миссии, наряду с гравитационными манёврами и химическим двигателем для перехода на орбиту вокруг Меркурия в качестве искусственного спутника[17]. На аппарате работают самые мощные на сегодняшний день 4 ионных двигателя суммарной тягой 290 мН[21].

Завершённые миссии[править | править код]

  • SERT (англ. Space Electric Rocket Test, рус. Тест Космического Электрического Двигателя — программа NASA, в которой на спутниках впервые был использован ионный двигатель)
  • Deep Space 1
  • Hayabusa (вернулся на Землю 13 июня 2010 года)
  • Smart 1 (завершил миссию 3 сентября 2006 года, после чего был сведён с орбиты)
  • GOCE (после исчерпания запасов рабочего тела сошёл с орбиты)
  • LISA Pathfinder (ЕКА) использовал ионные двигатели в качестве вспомогательных для точного контроля высоты; деактивирован 30 июня 2017.
  • Dawn. 1 ноября 2018 года аппарат исчерпал все запасы топлива для маневрирования и ориентации, его миссия, длившаяся 11 лет, была официально завершена.

Планируемые миссии[править | править код]

Нереализованные миссии[править | править код]

Commons-logo.svg Компьютерная модель Прометея-1

NASA ввело проект «Прометей», для которого разрабатывался мощный ионный двигатель, питающийся электричеством от бортового ядерного реактора. Предполагалось, что такие двигатели в количестве восьми штук могли бы разогнать аппарат до 90 км/с. Первый аппарат этого проекта Jupiter Icy Moons Explorer планировалось отправить к Юпитеру в 2017 году, однако разработка этого аппарата была приостановлена в 2005 году из-за технических сложностей. В 2005 году программа была закрыта[23]. В настоящее время идёт поиск более простого проекта АМС для первого испытания по программе «Прометей»[24].

Проект Джефри Лэндиса[править | править код]

Geoffrey A. Landisruen предложил проект межзвёздного зонда с ионным двигателем, получающим энергию через лазер от базовой станции, что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом. В настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений — например, он потребует силы тяги от ионных двигателей в 1570 Н при нынешних 20—250 мН[25](по другим данным рекорд тяги у современных ионных двигателей 5,4 Н[26]).

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, pp. 58-65 DOI:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. Белан Н. В., Ким В. П., Оранский А. И., Тахонов В. Б. Стационарные плазменные двигатели. — Харьк. авиац. ин-т. — Харьков, 1989. — С. 18—20.
  3. ↑ NASA’s Dawn Spacecraft Fires Past Record for Speed Change, NASA (7 июня 2010). Дата обращения 2 октября 2016.
  4. Marc Rayman. Dawn Journal September 27, 2016 (англ.). NASA (27 September 2016). Дата обращения 19 ноября 2016.
  5. ↑ Lifetime Assessment of the NEXT Ion Thruster Jonathan L. Van Noord1 NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio 44135
  6. ↑ Испытан рекордный ионный двигатель (рус.). membrana.ru (12 января 2006). Дата обращения 22 февраля 2015.
  7. Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 71-79 — ISBN 5-477-00749-4.
  8. ↑ «Собрал летающий ионный двигатель у себя дома» (видео пользователя YouTube KREOSAN, 13 февраля 2017)
  9. ↑ Robert H. Goddard: American Rocket Pioneer (неопр.). Smithsonian Scrapbook. Smithsonian Institution Archives. Дата обращения 21 февраля 2015.
  10. Choueiri, E. Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956) (неопр.). Дата обращения 21 февраля 2015.
  11. Морозов А. И. Об ускорении плазмы магнитным полем // ЖЭТФ. — 1957. — Т. 32, вып. 2. — С. 305—310.
  12. ↑ Потомки повелителя ветров: Вместо сердца — плазменный мотор! // Популярная механика. — 2005. — № 12.
  13. Доктор физико-математических наук А. МОРОЗОВ. КОСМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОВОЗ (неопр.). Наука и Жизнь (сентябрь 1999).
  14. ↑ Innovative Engines — Glenn Ion Propulsion Research Tames the Challenges of 21st Century Space Travel (англ.). Glenn Research Center (20 May 2008). Дата обращения 22 февраля 2015.
  15. ↑ Стационарный плазменный двигатель СПД-100 (рус.). www.mai.ru. Дата обращения 19 октября 2017.
  16. ↑ Спутник убийца или благодетель: что запустила Россия в космос?, Slon.ru. Дата обращения 19 октября 2017.
  17. 1 2 3 Рахманов, М. Ионные двигатели: от фантастики к реальным пускам (рус.). CNews.ru (30 сентября 2003). Дата обращения 22 февраля 2015.
  18. ↑ Список публикаций произведения «By Aeroplane to the Sun» в ISFDB  (англ.)
  19. Peter Nicholls. Ion Drive (англ.). SFE: The Encyclopedia of Science Fiction, online edition, 2011— (20 December 2011). Дата обращения 1 июля 2018.
  20. Кочуров, В. Бороздя гиперпространство. Физика и технологии «Звёздных войн» (неопр.). журнал «Мир фантастики» (27 декабря 2005). Дата обращения 22 февраля 2015.
  21. (2013) «BepiColombo Electric Propulsion Thruster and High Power Electronics Coupling Test Performances» in 33rd International Electric Propulsion Conference. 6–10 October 2013. Washington, D.C... IEPC-2013-133. 
  22. Jason Mick. Commercially Developed Plasma Engine Soon to be Tested in Space (неопр.) (недоступная ссылка). DailyTech (11 августа 2008). Дата обращения 22 февраля 2015. Архивировано 22 февраля 2015 года.
  23. The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA’s Constellation System (англ.). — Washington, DC: The National Academies Press (англ.)русск., 2009. — P. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  24. The National Academy of Sciences. Launching Science: Science Opportunities Provided by NASA’s Constellation System. — Washington, DC: The National Academies Press, 2009. — С. 18. — ISBN 978-0-309-11644-2.
  25. Landis, G. A. звёздный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу (рус.) (1 сентября 1994). Дата обращения 22 февраля 2015.
  26. ↑ Ионный двигатель NASA показал новый рекорд производительности (рус.). Hi-News.Ru (14 октября 2017).
  • Морозов А. И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. — М.: Атомиздат, 1978. — 328 с.
  • Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Морозов А. И.. — М.: Наука, 1984. — 269 с.
  • Форрестер, Т. А. Интенсивные ионные пучки. — М.: Мир, 1992. — 354 с. — ISBN 5-03-001999-0.
  • A.B. Жаринов, Ю. С. Попов, «Об ускорении плазмы замкнутым холловским током», ЖТФ, 1967, Т.37,вып.2.
  • Kaufman H. R., Robinson R. S. Ion Source Design for Industrial Application (англ.) // AIAA Journal : журнал. — 1982. — Vol. 20, no. 6. — P. 745—760.
  • A. I. Morozov and V. V. Savelyev, «Fundamentals of stationary plasma thruster theory, » in Reviews of Plasma Physics, edited by B. B. Kadomstev

and V. D. Shafranov (Kluwer, Dordecht, 2000), Vol. 21.

  • V. Kim, J. Propul. Power 14, 736 (1998).

Двигатель внешнего сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 июня 2019; проверки требуют 2 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 июня 2019; проверки требуют 2 правки.

Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.

К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены 203 года тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырёхтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале XIX века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине XIX века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания, в конце XIX века, рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания ниже по сравнению со стоимостью производства двигателя внешнего сгорания.

Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2. Однако до недавнего времени выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

  • «Двигатели внешнего сгорания», Г. В. Смирнов. Новое в жизни, науке, технике: Серия: Промышленность, 1967, М. — Знание. [1]

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о