آیا در یک رانشگر یونی، دمای پلاسما پس از شتاب کاهش می یابد؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2402

سپاس: 3833

جنسیت:

تماس:

آیا در یک رانشگر یونی، دمای پلاسما پس از شتاب کاهش می یابد؟

پست توسط rohamavation »

در آخرین بحث در مورد چرا رانشگرهای یونی اینقدر انرژی گرسنه هستند (چرا رانشگرهای یونی اینقدر تشنه انرژی هستند؟)، مردم گفتند که این سیستم نه تنها قرار است گاز را یونیزه کند، بلکه آن را تا دمای کافی برای غلبه بر پتانسیل و ورود به آن گرم می کند. فضای شتاب این کاملا منطقی است. اما بعد از آن می‌پرسیدم، اگر گرما در حال تبدیل شدن به انرژی جنبشی (در یک جهت خاص، نه تصادفی) باشد، پس دمای پلاسما به محض تبدیل شدن به پرتو قرار است کاهش یابد. جریان و انرژی جنبشی آن آیا این اتفاق می افتد.. دمای پلاسما بعد از شتاب گرفتن پایین می آید؟تصویر
تا یک درجه. در یک نازل معمولی همگرا-واگرا، فشار نیرویی است که به نازل فشار می آورد. این فشار نتیجه هم چگالی و هم دمای گاز است. همانطور که گاز در سراسر نازل جریان می یابد و انرژی جنبشی بازیافت می شود، دما (و فشار) کاهش می یابد. همچنین واکنش هایی در گاز وجود دارد که می تواند بر دما تأثیر بگذارد.
از طرف دیگر، مشخصات "نازل" یک رانشگر یونی بسیار کوچک است. زمان بسیار کمی برای تبادل گرما پلاسما با رانشگر یونی در طول عبور از شبکه شتاب وجود دارد. "اپتیک" شبکه در واقع برای جلوگیری از تعامل یون ها با دیوار شبکه طراحی شده است. علاوه بر این، نیروی محرکه به جای فشار، نیروی کولن است. ما بر این تکیه می کنیم که یون دارای بار است و با میدان الکتریکی برهم کنش دارد. هیچ تلاشی برای بازیابی انرژی حرارتی پلاسما در نازل موشک وجود ندارد.
این احتمال وجود دارد که پلاسما در هنگام برهمکنش با سایر یون ها یا مواد در توده سرد شود، اما از نظر ترتیب بزرگی، به چگالی پلاسما و سیستم اطراف آن بستگی دارد. چگالی کم ماده منجر به انتقال حرارت کمی می شود (زیرا چیزی برای انتقال آن وجود ندارد).
نمونه‌هایی از پیشرانه‌های الکتریکی وجود دارد که تلاش می‌کنند انرژی گرمایی را به انرژی جنبشی تبدیل کنند: پیشرانه‌های الکتروترمال و مایکروویو. آنها از یک نازل همگرا-واگرای سنتی برای بیرون راندن یک گاز گرم شده استفاده می کنند (یا توسط یک فلز مقاوم یا پلاسما گرم می شود). در حالت دوم، گاز در حین حرکت در ناحیه نازل تا حدی یونیزه می شود و انرژی حرارتی بازیابی می شود، با این فرض که نازل به خوبی طراحی شده است.
منظورم این است که اگر به نحوی بتوانیم از دمای پلاسما و همچنین از انرژی جنبشی (انرژی جنبشی پرتو) انرژی استخراج کنیم و تنها انرژی که برای ورود گاز به فضای شتاب تامین می کنیم انرژی حرارتی است، نمی توان ما انرژی بیشتری از آنچه به سیستم داده می شود تولید می کنیم؟ آیا این پایستگی انرژی را نقض نمی کند؟ کجا دارم اشتباه می کنم؟ –
خیر. منبع تمام انرژی در سیستم، انرژی الکتریکی است که به رانشگر عرضه می شود. این فقط به انرژی حرارتی (گرمایش از طریق ژول)، شارژ برای هر یون تولید شده (از طریق یونیزاسیون)، و یک میدان الکتریکی (از طریق اجرای یک بایاس ولتاژ در شبکه‌ها) تبدیل می‌شود. کل توان ورودی به سیستم = انرژی یونیزاسیون + انرژی حرارتی + انرژی پرتو کل توان خروجی: انرژی پرتو انرژی یونیزاسیون و انرژی حرارتی را که به سیستم می‌گذاریم از دست می‌دهیم. می توانید سعی کنید آنها را استخراج کنید، اما به یک نازل واقعی نیاز دارید. اما پس از آن شما ضررهای اصطکاکی دارید. اینجا هیچ برد / بردی وجود ندارد. –
او عبارت "خیلی گرسنه انرژی" است. منظور من این است که رانشگرهای یونی دارای تلفات هستند، بنابراین همه اشکال دیگر پیشرانه نیز تلفاتی دارند. در مثال زیر ضرر حدود 35 درصد است. یعنی از شروع مانور تا پایان فقط 35 درصد از انرژی الکتریکی DC آن را به انرژی جنبشی پرتو مفید تبدیل نمی کند.
نمونه رانشگر یونی
پیشران XIPS که در اینجا ارائه شده است دارای ویژگی های پاکت زیر در حالت کم مصرف است:
مجموع توان ورودی (W) 2067
رانش (mN) 79
Specific Impulse (s) 3400
قرار دادن دو بیت اخیر از داده ها همراه با معادله توان پرتو نشان داده شده در این پاسخ به یک سوال متفاوت (اما معادلات برای هر نوع رانشگر، شیمیایی یا الکتریکی معتبر است) توان پرتو 1317 وات را به دست می دهد. بنابراین راندمان 1317 است. W / 2067 W و تلفات در این مورد 36٪ است.
واضح است که حدود 700 وات برای فرآیندهای پشتیبانی مانند تولید پلاسما هزینه می شود. در واقع جالب است که این موارد را با وضوح بیشتری شناسایی کنیم، اگرچه هدف این پست قرار دادن آن 36٪ در زمینه است.
رانشگرهای شیمیایی
آیا موتورهای موشک شیمیایی تفاوت اساسی دارند؟ زمینه این است که نقطه شروع انرژی شیمیایی ذخیره شده است و تلفات عمدتاً تلفات حرارتی است که اگزوز و تشعشعات نازل به دام افتاده است. این پیوند نشان می دهد که سقف معمولاً 70٪ است، یعنی 30٪ تلفات، از دیدگاه ترمودینامیک.
به طور کلی
بنابراین ممکن است دو نوع رانشگر در مجموع چندان متفاوت نباشند. واضح است که در یک سیستم به جای سطح رانشگر، مبادله دارای عوامل زیادی مانند در دسترس بودن توان به شکل الکتریکی است و اغلب به ترتیب به مبادله محدودیت های انرژی در مقابل محدودیت های توان برای مواد شیمیایی و الکتریکی تبدیل می شود.
تصویر

نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2402

سپاس: 3833

جنسیت:

تماس:

Re: آیا در یک رانشگر یونی، دمای پلاسما پس از شتاب کاهش می یابد؟

پست توسط rohamavation »

سفینه های فضایی چیز عجیبی هستند. ما آنها را در همه اشکال، اندازه ها و رنگ ها داریم. آنها با همجوشی هسته‌ای کار می‌کنند و نیروی زیادی را ایجاد می‌کنند که انواع و اقسام جنجال‌ها را به وجود می‌آورد... اما هنوز هم گرمای زیادی تولید می‌کنند که باید به نحوی از شر آن خلاص شود.
با فرض اینکه ما بر چالش های ایجاد راکتورهای همجوشی پایدار مسلط شده ایم و می توانیم سفینه های فضایی فراتر از آتش بازی با افرادی بسازیم که در بالای آن بسته شده اند:
س: از چه مواد/فناوری فعلی یا نزدیک به آینده می توان برای خلاص شدن از شر این مقادیر عظیم گرما در سفینه فضایی من (به بهترین نحو) استفاده کرد؟
فضا متفاوت از زمین کار می کند. سرمایش در واقع یک مشکل بزرگ در فضا است. بخشی از دلیل گرانی اشیاء در فضا این است که دستگاه ها (سی پی یو، سنسورها و غیره) باید از پیشرفته ترین طراحی در طراحی کم برخوردار باشند تا از دست دادن گرما به حداقل برسد. ژنراتورهای انرژی هسته‌ای فضایی ما مقدار کمی الکتریسیته تولید می‌کنند و از نظر فیزیکی تقریباً 100٪ رادیاتور هستند تا به اندازه کافی خنک شوند. همیشه به نظر طعنه آمیز به نظر می رسد که خنک شدن یک مشکل در فضا است، اما هیچ هوایی وجود ندارد که گرما را از بین ببرد، و هیچ جوی وجود ندارد که انرژی فرود از خورشید را کاهش دهد. –
نبوه گرما" یا جزئیات بیشتر در مورد اندازه و سایر جزئیات کشتی شما، فکر می کنم بهترین چیز برای امید داشتن یک مرور کلی از اصول اولیه است.
گرما از غلظت های بالاتر به غلظت های پایین تر جریان می یابد. اگر از تبرید برای انتقال گرما از کم به زیاد استفاده کنید، هرگز 100% کارآمد نیست و گرمای کل بیشتری تولید می کند. انتقال حرارت 3 روش اصلی برای جابجایی گرما دارد.
هدایت
گرما بین مواد در تماس با یکدیگر حرکت می کند.
ΔQ̇ = -k A ΔT/ΔX
نرخ انتقال حرارت ΔQ̇ به k رسانایی حرارتی مواد، سطح تماس، اختلاف دمای ΔT بین مواد و ΔX بستگی دارد که نقاط مرجع دما چقدر از هم فاصله دارند.
این به طور داخلی در کشتی به کار می رود که گرما را به اطراف منتقل می کند، اما در فضایی با خلاء بیرونی هیچ تماسی با مواد دیگر وجود ندارد، بنابراین هیچ کمکی برای خنک کردن کشتی به طور کلی در اینجا وجود ندارد.
همرفت
یک مورد خاص از رسانایی که در آن گرما به یک سیال (مایع یا گاز) در تماس با منبع حرارت شما (فکر کنید جو یا زیر آب) منتقل می شود، بسیار پیچیده تر است زیرا سیال اغلب در حال حرکت است و در غیر این صورت گرما باعث انتقال حرکت بیشتر می شود. گرما نسبت به رسانایی ساده
باز هم در خارج از کشتی در فضا قابل استفاده نیست زیرا هیچ مایعی برای تماس وجود ندارد.
تابش - تشعشع
این مورد بیشترین کاربرد را در کاربردهای فضایی دارد. اگر چیزی داغ باشد، تابش گرمایی ساطع می‌کند، گاهی اوقات اگر اجسام به اندازه کافی داغ باشند، این تشعشع قابل مشاهده است، اما در طیف نامرئی نیز رخ می‌دهد.
Q = εστ4
ε تابش ماده با حداکثر مقدار 1 است، این می تواند با انتخاب مواد و استفاده از پوشش ها (به عنوان مثال رنگ) بهبود یابد.
σ ثابت استفان – بولتزمن است
و T دما است.روش اصلی استفاده از این عملا در فضاپیماها استفاده از تکنیک های تبرید برای انتقال گرما به اطراف و متمرکز کردن آن و گرم کردن قسمت های خاصی از کشتی شما برای افزایش مقدار گرمای ساطع شده به عنوان تشعشع است (گرمای ساطع شده با توان چهارم بالا می رود بنابراین گرمتر برابر است. گرمای بسیار بیشتری منتقل می شود). منابع حرارتی رادیاتور باید طوری قرار داده شوند که سطح آن از کشتی دور شود تا تشعشع خروجی از ناحیه داغ توسط سایر قسمت های کشتی جذب نشود. این معمولاً با پره های بزرگ رادیاتور خارجی (که اغلب با پنل های خورشیدی در وسایل نقلیه فضایی واقعی اشتباه گرفته می شود) انجام میشود.
آخرین ویرایش توسط rohamavation سه‌شنبه ۱۴۰۱/۷/۱۲ - ۱۱:۱۹, ویرایش شده کلا 1 بار
تصویر

نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2402

سپاس: 3833

جنسیت:

تماس:

Re: آیا در یک رانشگر یونی، دمای پلاسما پس از شتاب کاهش می یابد؟

پست توسط rohamavation »

روش های جایگزین
یک روش خنک کننده غیرفعال با استفاده از تابش، کاهش گرمای ورودی از تابش خورشید با استفاده از سایه یا بازتاب است (اکثر سفینه های فضایی برای انعکاس گرما سفید هستند). این به گرمای تولید شده در کاردستی کمکی نمی کند، اما کل گرمای موجود را کاهش می دهد.
انتقال جرم - دوباره با استفاده از سیستم های انتقال حرارت داخلی و تبرید برای انتخاب
مناطق یا اقلام خاصی را گرم کنید و سپس آن جرم را از کشتی خود خارج کنید. اتلاف حرارت Q = m C T است. m، جرم، C، گرمای ویژه و دمای T. و فراموش نکنید که انرژی را از تغییرات فاز خارج کنید، بنابراین آهن مذاب یا بخار کاندیدهای خوبی در اینجا هستند. این یک استراتژی بلندمدت نیست زیرا شما در حال از دست دادن جرم از یک سیستم محدود هستید و در نهایت مواد لازم برای بیرون راندن تمام می شود.
ذخیره سازی حرارت. استفاده از مکان‌های ذخیره‌سازی داخلی برای گرم کردن تحت بار یا به طور متناوب وجود مواد هیت سینک از قبل خنک‌شده برای جذب گرمای تولید شده. اینها هیچ منبع خالص اتلاف گرما را فراهم نمی کنند، اما می توانند یک ذخیره موقت بافر گرمای اضافی را فراهم کنند تا بعداً با استفاده از رادیاتورها دفع شود یا در پست تجاری محلی یا کشتی مادر مبادله شود.
یک فناوری نیمه آینده جالب با کاربرد در این منطقه، ابررساناهای حرارتی است (در حال حاضر تنها توسط هلیوم مایع در دمای بسیار پایین نمایش داده می شود)، آنها گرما را از طریق خود بسیار سریع منتقل می کنند. گرما را به یک انتها بمالید و کل چیز گرم می شود نه فقط انتهای آن نزدیک به گرما. این امر امکان طراحی های بهبود یافته در مدیریت حرارت داخلی را فراهم می کند.
مهمترین چیز استفاده موثر از عایق های حرارتی و طراحی کشتی برای جلوگیری از انتقال گرما به جایی است که شما نمی خواهید. راکتور همجوشی شما و سایر سیستم‌های کشتی ممکن است در چند صد درجه خوب کار کنند، اما افراد یا سایر سیستم‌های حیاتی ممکن است تحت این شرایط خوب عمل نکنند. خلاء فضا در عایق کاری خوب است، همانطور که دیدیم، قرار دادن محفظه خدمه جدا از رآکتور همجوشی با انرژی بالا احتمالاً ضروری است.
تصویر

نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2402

سپاس: 3833

جنسیت:

تماس:

Re: آیا در یک رانشگر یونی، دمای پلاسما پس از شتاب کاهش می یابد؟

پست توسط rohamavation »

مبانی ترمودینامیکی
قوانین اساسی ترمودینامیک می گوید:
انرژیکل در هر سیستم ایزوله ثابت است.
انرژی حرارتی محدود (Enthropy) در سیستم های ایزوله افزایش می یابد
انرژی حرارتی cna به عنوان حرکت ذرات دیده می شود و بنابراین می توان آن را به عنوان میانگین انرژی جنبشی ذرات در یک سیال (که یک محیط در حالت مایع یا گاز است) مشاهده کرد.
جریان دما همیشه از جهت شیب دما بین دو جسم پیروی می کند: ΔΔT=∇T
به همین دلیل، فقط از گرم به سرد جریان دارد و نیروی محرکه هر تبادل دما، اختلاف دما، ΔT است.
انرژی گرمایی با Q=mcΔT محاسبه می شود، Q انرژی، m جرم جسم، c ثابت ماده و ΔT یا دمایی است که دمای اجسام را افزایش داده ایم (سپس Q انرژی است که به آن داده ایم). یا تفاوت به 0 مطلق (آنگاه Q کل انرژی گرمایی است).
نیرو می تواند اختلاف دما را با یکی از موارد زیر ایجاد کند:
اعمال اصطکاک در قسمتی از سیستم یا
انتقال یک محیط با درجه حرارت از یک نقطه از کل سیستم به نقطه دیگر
سیالات می توانند حالت، چگالی، حجم و دمای خود را تغییر دهند، در مورد گاز، این با فرمول گاز کنترل می شود: p V=n R T - فشار، بار حجم تعداد مولکول های گاز ضربدر گاز ثابت R بار دما است.
راه حل جزئی: توزیع مجدد در داخل کشتی
در داخل کشتی ما چند مشکل داریم که روی زمین به آنها عادت کرده ایم: مجموعه ای از منابع گرمایی که نیاز به خنک کننده دارند (ماشین آلات، وسایل الکترونیکی، بدن انسان) و یک محیط گازی بین آنها.
در اینجا یک پمپ حرارتی مفید است: به دلیل فرمول گاز بالا، می توانیم مقدار مشخصی گاز را تحت فشار قرار دهیم و دمای آن را افزایش دهیم یا فشار آن را کاهش دهیم تا آن را کاهش دهیم. با این کار می‌توانیم به انتقال حرارت از برخی نقاط به نقاط دیگر، به ویژه از داخل ایستگاه به بیرون در رادیاتورها کمک زیادی کنیم و به رسیدن به تعادل کمک کنیم. بهتر از این، دستگاه می‌تواند تمام گرمای بیش از حد را به بیرون ایستگاه، به ویژه رادیاتورها - از جایی که مشکل ما شروع می‌شود، ادامه دهد.
تجزیه و تحلیل مسئله: فضا
مشکل اصلی سرمایش فضا این است که فضا نزدیک به خلاء است. خلاء نزدیک به این معنی است که مواد (متوسط) کمی برای انتقال حرارت وجود ندارد، حداقل بدون از دست دادن جرم کشتی.
به طور متوسط، چگالی بین 0.1 اتم بر سانتی متر مکعب تا 1000 اتم در همان حجم وجود دارد، در حالی که دمای پس زمینه کیهانی حدود 3 کلوین است. این از یک طرف خوب است (شیب دما زیاد، جریان احتمالاً زیاد)، اما از طرف دیگر بد است (مواد کمی که بتواند گرما را از بین ببرد).
بله، فضا مثل جهنم سرد است، و شما می توانید یک جسم را فقط با بیرون راندن آن از قفل هوا منجمد کنید، اما خنک کردن کشتی خود با تبادل حرارتی اولیه از طریق Convection واقعاً سخت است. با این حال، راه هایی وجود دارد
می‌توانستیم برویم، عمدتاً تشعشع.
راه حل 1: تابش / نور EM
اجسام را به اندازه کافی گرم می کند (به طور کلی بالاتر از 798 K = 525 درجه سانتیگراد = 977 درجه فارنهایت)، آنها شروع به نشان دادن تابش و تابش حرارتی می کنند. به عبارت دیگر: می درخشند. در این حالت، انرژی گرمایی را به صورت امواج EM (که نور است) علاوه بر همرفت قبل (گرم شدن ذرات هوای سخت و دادن مقداری انرژی حرارتی به آنها) پراکنده می کنند.
از آنجایی که جابجایی به دلیل عدم وجود رسانه دیگر بسیار مانع می شود، کشتی می تواند از موادی با ظرفیت حرارتی بسیار بالا نزدیک به موادی استفاده کند که اثر مهتابی بسیار خوبی دارند تا مقدار زیادی از گرما را به شکل تشعشعات EM حرارتی از بین ببرد. خارج از ایستگاه به عنوان یک مثال (غیر محاسبه‌شده)، می‌توان از لوله‌های پر از فلز مایع (به خاطر چشمه‌های لیتیوم) در دمایی استفاده کرد که باعث می‌شود لوله‌ها قرمز تا زرد بدرخشند. این تا حد زیادی کارآمدترین راه نیست، اما حداقل راهی برای خلاص شدن از گرما است.
راه حل 2: بیرون ریختن جرم (گرم شده).
اما تشعشع تنها راه برای خارج کردن مقداری انرژی حرارتی از سیستم نیست. ما ایجاد کرده ایم که می توانیم گرما را در داخل ایستگاه با پمپ های حرارتی انتقال دهیم. در مواقع اضطراری، جریان گرما ممکن است به یک ماژول غیر ضروری هدایت شود تا آن را تا حد امکان گرم کند و سپس کل ماژول را از بین ببرد. این انرژی حرارتی ذخیره شده در آن مدول را از بقیه ایستگاه جدا می کند. اما این یک راه افراطی خواهد بود.
بهتر است به جای حذف ماژول های کامل و بیش از حد گرم شده، مقداری گاز با دمای پایین (مانند نیتروژن مایع یا هیدروژن) ارسال شود، آن را با چرخه های پمپ حرارتی گرم کنید و سپس گاز را از دریچه ها به فضا خارج کنید. به دلیل این فرآیند تا حد زیادی هزینه شده است (فرمول گاز، یادتان هست؟)، و با سرعت بالایی از درگاه ها خارج می شود: گرمای باقیمانده در ایستگاه می تواند بخشی از سیستم کنترل واکنش/افزایش پایداری شود تا ایستگاه را در جایی نگه دارد. قرار است باشد. یا از آن به عنوان پیش مرحله برای موتورهای یک سفینه فضایی استفاده می شود و از طریق سیستم محرکه کشتی از شر انرژی گرمایی خلاص می شود زیرا سوخت را برای آن آماده می کند (پیش گرم می کند).
در حالی که چنین سیستمی مطمئناً به عنوان کمکی در رانش یا تسکین گرمای اضطراری مفید است (فقط یک بخش بیش از حد گرم شده را تخلیه کنید، سپس اتمسفر خوانده شود)، نمی تواند تنها روش برای خنک نگه داشتن سفینه باشد.
تصویر

ارسال پست