Электрореактивный двигатель своими руками: Реактивный двигатель своими руками: мастер-класс

Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель / Хабр

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.

Выстрел из АК

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Почему ксенон?

Обычно в ИРД в качестве рабочего тела используется газ ксенон, так как он имеет наименьшую энергию ионизации среди инертных газов.

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.

Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т. е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

Схема полёта к Марсу на ИРД

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.

Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.

Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Турбореактивный двигатель своими руками — Спрашивалка

Турбореактивный двигатель своими руками — Спрашивалка

А»

Андрей «»

Покопавшись в интернете, я нашел информацию о реактивных двигателях. Изучил всю начинку, принцип работы, даже составил свой проект, чертежи. Но нахожусь под сомнением. Возможно ли это сделать самому, паяльщику-самоучке? Заранее спасибо

Пульсирующий воздушно-реактивный я уже делал, но пользы от него ноль. Да и к тому же, он потребляет слишком много топлива. Не вариант.

• двигатель
• рука

АА

Азамат Аликулов

Турбореактивный не сможешь. Я уже говорил с авиаконструкторами-двигателистами на эту тему. Там очень важно графитовое уплотнение между лопатками и корпусом. Достигается оно проворачиванием готовой турбины по графиту, иначе КПД будет очень низкий. Легче сделать пульсируюший двигатель, как у ФАУ. Не такой экономичный, но лёгкий и устойчиво работающий.

Артём

начни с лунохода -самоделкин

Артём

возможно! как два пальца обоссать! — Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

«Вы знали, что если в согнутую дугой трубу положить сухого спирта, подуть воздухом из компрессора и подать газ из баллона, то она взбесится, будет орать громче взлетающего истребителя и краснеть от злости? Это образное, но весьма близкое к истине описание работы бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя — настоящего реактивного двигателя, построить который под силу каждому. «

а хорошую турбину ты хрен спаяшь, хоть усрись!

Антон

Нет, это невозможно. А вот прямоточный пульсирующий Фау 1, без каких либо проблем.

ЕН

Екатерина Нестерова

Серию статей в Популярной Механике не видели?
http://www.popmech.ru/master-class/14456-reaktivnyy-dvigatel-svoimi-rukami/

http://www.popmech.ru/master-class/14571-reaktivnyy-dvigatel-svoimi-rukami-prodolzhenie-nachalo-v-avgustovskom-nomere/#full

AM

Alisher Mamajanov

Я вижу перспективу самодельных реактивных только в доведении и оптимизации пульсирующих вариантов. По типу фау-1 https://ru.wikipedia.org/wiki/Пульсирующий_воздушно-реактивный_двигатель
Или вот таких http://youtu.be/dRa8gHKO6f4

Остальное и трудоемко и дорого, одна балансировка турбин и возня с материалом лопаток чего стоит, есть конечно варианты от турбонаддува авто что то брать но это и менее творчески и слишком зависимо и неоправданно дорого, поэтому перспективы сомнительные, гибкости мало для оптимизации результата. По моему только одно доведение конфигурации сопла и резонансной камеры до идеала уже достойная задача, но зато достижимая и гибкая, как по материалам и экспериментам так и по инструменту. Получиться если то запечатлите на видео и ссылочку посмотреть.

ЕШ

Евгений Шалов

Можно попробовать вот это: http://www.implas.ru/dvigatel-implas.html

Похожие вопросы

В турбореактивном двигателе, что создаёт тягу воздух, вылетающий с большой скоростью, или топливо?

Кто знает КПД реактивного и турбореактивного двигателя?

Какой двигатель у самолета ту 154. 1) ТУРБОВИНТОВОЙ 2) ТУРБОРЕАКТИВНый 3) ПОРШНЕВОЙ

Подъемник своими руками

дозиметр своими руками

Вопрос к авиаторам. Сколько оборотов в минуту совершает турбореактивный двигатель на взлете?

Сколько оборотов в минуту совершает турбореактивный двигатель на взлете?

Чем охлаждается турбореактивный двигатель самолёта ?

электричество своими руками

Как сделать маленький турбореактивный двигатель (не больше ведра)?

реактивный двигатель — Есть ли теоретические проблемы с питанием вентилятора от электродвигателя

спросил
1 год, 10 месяцев назад

Изменено
1 год, 10 месяцев назад

Просмотрено
2к раз

$\begingroup$

В последнее время я задаюсь вопросом, можно ли привести в действие вентилятор современного ТРДД с высоким байпасом и электродвигателем и достичь производительности, сравнимой с двигателем, работающим на керосине. Или 10% воздуха, проходящего через камеру сгорания, имеют решающее значение для работы системы?

(я хочу игнорировать все, что делает электрические самолеты нежизнеспособными, например, удельную мощность двигателей и емкость аккумуляторов) вопрос. Что меня действительно интересует, так это то, будет ли возможно привести самолет в движение, используя только вентилятор, а не выхлопной жиклер, с характеристиками, подобными текущему реактивному жиклеру (что сделало бы двигатель похожим на турбовинтовой с множеством лопастей и кожухом вокруг). это)

• реактивный двигатель

$\endgroup$

5

$\begingroup$

Принимая во внимание ваше желание игнорировать все, что делает электрические самолеты нежизнеспособными, такие как удельная мощность двигателей и емкость аккумуляторов , ответ — да.

Однако недостающую тягу реактивного двигателя необходимо компенсировать увеличением тяги вентилятора.

В противном случае ответ — нет.

$\endgroup$

12

$\begingroup$

«использование только вентилятора, а не вытяжной струи» не имеет смысла.

Это связано с тем, что выхлопная струя приводит в действие вентилятор. Вот что означает turbo в «hi-bypass turbo fan»: выхлопная струя вращает лопасти турбины, прикрепленные к центральному валу, который, таким образом, вращает лопасти турбины в передней части двигателя. Затем эти передние лопасти турбины сжимают воздух в камеру сгорания.

Что-то должно привести в действие вентилятор . Если вы не «украдете» немного газа для тяги, то какой-то другой источник энергии должен будет часами, часами и часами. Поэтому где-то в ограниченных требованиях к объему и весу самолета необходимо также учитывать источник энергии и двигатель.

Практический результат:

Захват некоторого количества газа тяги является наиболее компактным и экономичным методом вращения вентилятора.

$\endgroup$

$\begingroup$

можно ли привести в действие вентилятор современного ТРДД высокого байпаса с электродвигателем?

Да, но это не самый эффективный способ преобразования электроэнергии в тягу. Лучшим способом было бы присоединить к этому двигателю большой медленно вращающийся пропеллер. Поскольку электрические самолеты имеют плохое соотношение мощности к весу, как только их дальность полета становится практичной, доступная мощность должна использоваться наиболее эффективно. Реактивные двигатели вступают в свои права только при скоростях полета выше 0,7 Маха, когда пропеллеры сталкиваются со все более непреодолимыми проблемами сжимаемости.

и добиться производительности, сравнимой с двигателем, работающим на керосине?

Не совсем, потому что комбинация вентилятора и двигателя, вероятно, тяжелее, чем реактивный двигатель. Маленькие электродвигатели могут весить всего 0,1 кг/кВт, а более крупные с трудом достигают даже половины этого веса. Siemens продемонстрировал двигатель размера GA с мощностью 5 кВт/кг, и масштабирование его до уровня мощности авиалайнера, скорее всего, даст не более 2-3 кВт/кг. Даже при КПД 95% 5% мощности будет преобразовано в тепло, что создаст проблемы с охлаждением больших электродвигателей.

10% воздуха, проходящего через камеру сгорания, имеют решающее значение для работы системы?

Да, это так. Его смешивание с топливом с высокой удельной энергией и сгорание обеспечивает механическую энергию для привода вентилятора. Его гораздо более высокая скорость на выходе из сопла также позволяет этим 10% создавать непропорционально большую тягу.

$\endgroup$

$\begingroup$

Я считаю, что это действительно было сделано; пожалуйста, посмотрите это видео и решите, соответствует ли оно вашей теоретической постановке вопроса:

Этот изготовленный на заказ демонстрационный самолет Airbus совершил перелет из Англии во Францию ​​с двумя работающими от аккумуляторов электрическими вентиляторными двигателями, которые можно считать аналогичными или идентичными ТРДД с большим байпасом (на самом деле, 100% байпасом) с электрическим питанием.

В 20:55 пилот останавливает вентиляторы перед выходом на взлетно-посадочную полосу, и спереди видно, что внутри гондол находятся лопасти вентилятора и небольшой центральный стержень. В 21:05 хорошо видно с кормы того же самого.

Взлет в 24:30, и производительность может соответствовать или не соответствовать вашему определению «сопоставимого с двигателем на керосине», но это реальность, а не теория, поэтому они были обязаны учитывать ограничения батареи и двигателя.

$\endgroup$

4

Электрореактивный двигатель использует 3D-печатный компрессор, полностью пропуская турбину.

• автор:

Райан Флауэрс

Турбореактивные двигатели

— это невероятный образец инженерной мысли 20-го века, которые, за исключением некоторых крайних случаев, в основном были заменены турбовентиляторными двигателями. Тем не менее, даже самые простые ранние конструкции были новаторскими в свое время. Материаловедение было применено, чтобы сделать их более надежными, более мощными и легкими. Но все эти невероятные достижения полностью исчезают, когда вы [Джоэл] из [Integza] и предпочитаете создавать свои двигатели внутреннего сгорания, используя перепрофилированные канистры с бутаном и детали, напечатанные на 3D-принтере, как вы видите в видео ниже перерыва.

Emoscopes, CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons

Чтобы понять двигатель [Integza], полезно краткое объяснение турбореактивных двигателей. Как и в любом другом двигателе внутреннего сгорания, воздух сжимается, топливо сжигается, а реакция производит работу. В ТРД компрессор сжимает воздух. Топливо добавляется в камеру сгорания и воспламеняется, а расширяющийся выхлоп приводит в движение турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор, поскольку оба они прикреплены к одному и тому же валу. Выхлоп, энергия которого не расходуется на вращение турбины, выбрасывается и создает тягу, которая толкает двигатель и транспортное средство, к которому он прикреплен, в противоположном направлении. Просто, верно? Верно! Пока не появится 3D-принтер.

К сожалению, детали, напечатанные на 3D-принтере, сделаны из пластика. Последнее, что мы проверили, пластик — это не металл, поэтому 3D-печать турбины, чтобы придать чрезвычайно горячему выхлопу что-то, просто не сработает. Но что, если вы просто пропустите всю турбинную часть и запитаете компрессор электродвигателем? И вместо осевого компрессора с множеством крошечных лопастей, которые, вероятно, было бы невозможно напечатать в 3D с достаточной силой, вы выбрали прочный, простой в печати центробежный компрессор? Конечно, именно это [Integza] и сделала, иначе мы бы не говорили об этом.