Bài giảng Chuyển động Plasma trong động cơ tên lửa: Tổng quan và ứng dụng

CHUYỂN ĐỘNG CỦA PLASMA TRONG ĐỘNG CƠ TÊN LỬA

I. Phân loại tên lửa I. Phân loại tên lửa

1. Ưu nhược điểm của tên lửa hóa học thông 1. Ưu nhược điểm của tên lửa hóa học thông

thường (conventional chemical rocket). thường (conventional chemical rocket).

2. Phương trình tên lửa. 2. Phương trình tên lửa. 3. Động cơ tên lửa đẩy ion hóa (ion thruster). 3. Động cơ tên lửa đẩy ion hóa (ion thruster). II. Các khái niệm động cơ đẩy chạy bằng điện II. Các khái niệm động cơ đẩy chạy bằng điện III.Hoạt động nghiên cứu của VASIMR III.Hoạt động nghiên cứu của VASIMR

I.1 Conventional chemical rockets (tên lửa hóa học thông thường)

• Hoạt động trên nguyên tắc chung là đốt nhiên liệu có • Hoạt động trên nguyên tắc chung là đốt nhiên liệu có trong khoang chứa nhiên liệu rồi phụt khí ra phía sau, trong khoang chứa nhiên liệu rồi phụt khí ra phía sau, giúp tên lửa chuyển động về phía trước. giúp tên lửa chuyển động về phía trước.

(cid:61656) Hạn chế: (cid:61656) Hạn chế: • Phụ thuộc vào lượng nhiên liệu mang theo tên lửa. • Phụ thuộc vào lượng nhiên liệu mang theo tên lửa. • Phụ thuộc vào bản chất nhiên liệu mang theo tên lửa. • Phụ thuộc vào bản chất nhiên liệu mang theo tên lửa. • Gia tốc tàu vũ trụ đạt được chỉ dựa trên nguyên tắc • Gia tốc tàu vũ trụ đạt được chỉ dựa trên nguyên tắc phụt ra phía sau dòng vật chất nên khả năng tăng tốc phụt ra phía sau dòng vật chất nên khả năng tăng tốc chưa cao. chưa cao.

10.1.2 The Rocket Equation

• Understanding the motion of a spacecraft

The Rocket Equation (II)

M M

(cid:61508) (cid:61501)

(cid:61485)

(cid:61670) (cid:61671) (cid:61672)

(cid:61686)(cid:61508) v (cid:61687) u (cid:61688)

(cid:61673) 0 1 exp (cid:61485) (cid:61674) (cid:61675)

(cid:61689) (cid:61690) (cid:61691)

• Phương trình tên lửa:

• Giữ D v không đổi, tăng uex , D M giảm, và ngược lại. • Giữ D v không đổi, tăng uex , D M giảm, và ngược lại. • Để giảm bớt lượng nhiên liệu cần thiết, người ta • Để giảm bớt lượng nhiên liệu cần thiết, người ta thường chế tạo buồng chứa nhiên liệu gồm nhiều thường chế tạo buồng chứa nhiên liệu gồm nhiều khoang. khoang.

Động cơ đẩy ion (Ion thruster)

• Nguyên tắc: gia tốc tên lửa bằng cách tạo ra dòng ion • Nguyên tắc: gia tốc tên lửa bằng cách tạo ra dòng ion được tăng tốc trong điện từ trường bên trong khoang, được tăng tốc trong điện từ trường bên trong khoang, sau đó cho dòng ion này phụt ra phía sau làm tên lửa sau đó cho dòng ion này phụt ra phía sau làm tên lửa chuyển động về phía trước. chuyển động về phía trước.

• Động cơ đẩy ion hoạt động trên nguyên tắc dùng lực • Động cơ đẩy ion hoạt động trên nguyên tắc dùng lực

Coulomb, và lực Lorentz để gia tốc ion. Coulomb, và lực Lorentz để gia tốc ion.

Động cơ đẩy ion (Ion thruster)

Từ trường dùng để làm tăng sự ion hóa

Phun nhiên liệu

Phát xạ electron ở catốt và được điều khiển bởi anốt

Phun electron vào chùm trung hòa

Electron va chạm với nguyên tử trung hòa tạo thành ion

• Ion Engine

• Hiệu ứng Hall (đọc như "hiệu ứng hôn") là một hiệu • Hiệu ứng Hall (đọc như "hiệu ứng hôn") là một hiệu

ứng vật lý được thực hiện khi áp một từ trường vuông ứng vật lý được thực hiện khi áp một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu dòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện điện thế (hiệu điện thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwim Herbert Hall vào năm 1879. phá bởi Edwim Herbert Hall vào năm 1879.

Hiệu ứng Hall (Hall Thruster)

(cid:61501)

V H

IB den

• Hướng và chiều tác dụng

Hiệu ứng Hall (Hall Thruster)

trong hiệu ứng Hall

Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh Hall kim loại. 1: electron. 2: thanh Hall. 3: nam châm. 4: từ trường. 5: nguồn điện. Màu đỏ trên thanh Hall thể hiện sự tập trung của điện tích dương, còn màu xanh, ngược lại, là nơi tập trung điện tích âm. Trên các hình B, C, D, chiều của nguồn điện và/hoặc từ trường được đổi ngược.

Hiệu ứng Hall (Hall Thruster)

Mặt ngoài của cực từ

Nam châm điện dùng để tạo từ trường

Mặt trong của cực từ

Nguồn electron

Phun Phun nhiên liệu nhiên liệu

Electron va chạm với nguyên tử để tạo ra ion

Gia tốc của ion trong điện trường tĩnh

• Hiệu ứng Hall đối với electron ở ranh giới (confines)

Hiệu ứng Hall (Hall Thruster)

Từ trường

Ống cách điện

Trục đối xứng

•Hệ thống động cơ đẩy ion (The Hall thruster scheme)

10.2.3 Magnetoplasma Dynamic (MPD) Thruster

Xả plasma

Cửa nạp nhiên liệu

• The MPD thruster

The Variable specific Impulse Magnetoplasma

Rocket (VASIMR)

• The VASIMR concept

10.3.1 The VASIMR Concept

• Nguồn plasma (Khí Heli) được tạo ra từ các khí • Nguồn plasma (Khí Heli) được tạo ra từ các khí

trung hòa (Hydrogen or Deuterium). trung hòa (Hydrogen or Deuterium).

• Giam giữ plasma bằng bẫy từ • Giam giữ plasma bằng bẫy từ • Plasma heating bằng tần số sóng vô tuyến • Plasma heating bằng tần số sóng vô tuyến • Magnetic nozzle biến đổi năng lượng nhiệt thành • Magnetic nozzle biến đổi năng lượng nhiệt thành

năng lượng đẩy có ích. năng lượng đẩy có ích.

The VASIMR Concept (II)

The VASIMR Concept (III)

• Hiệu suất tối ưu: tạo ra dòng khí phụt ra có tốc độ • Hiệu suất tối ưu: tạo ra dòng khí phụt ra có tốc độ

lớn . lớn .

• Đáng tin cậy: không có sự đốt cháy nhiên liệu. • Đáng tin cậy: không có sự đốt cháy nhiên liệu. • Nhiên liệu rẻ tiền hydrogen, đơteri. • Nhiên liệu rẻ tiền hydrogen, đơteri.

The VASIMR Concept (IV)

• Magnetic Confinement: mirror field

The VASIMR Concept (V)

10.3.2 The VASIMR Experiment