¿Dónde puedo aprender a calcular la física de un propulsor de iones?

Estoy tratando de construir un propulsor de iones, pero no sé por dónde empezar a aprender los números reales detrás de uno. Sé cómo funcionan en un nivel básico, pero no mucho más.

Básicamente, quiero poder estimar cuánto empuje generará para un voltaje y corriente dados, todo lo demás es igual. Por supuesto, estoy seguro de que hay matemáticas detrás de la diferencia en los tamaños y formas del ánodo y el cátodo, y me gustaría aprender eso también.

¿Cuál sería el mejor recurso para comenzar mi investigación?

¿Cuál es su marco de tiempo y limitaciones? ¿Una maestría en ingeniería aeroespacial violaría alguno de ellos?
Si solo quieres calcular el empuje, F = d pag d t = v metro ˙ dónde metro ˙ es el caudal másico (kg/seg) y la velocidad acelerada viene dada por v = 2 q mi V / metro dónde q suele ser igual a 1 (átomos ionizados individualmente) mi es la carga del electrón, V es el voltaje de aceleración y metro es la masa de un átomo. Eche un vistazo al Problema de cálculo de empuje del propulsor de iones y ¿Qué podría salir mal si alguien dominara un motor de iones?
@lijat Espero obtener una comprensión decente dentro de unas pocas semanas o tal vez un mes, pero probablemente seguiré aprendiendo hasta que haga clic. Desafortunadamente, si bien una maestría en ingeniería aeroespacial sería increíble, es un poco costosa.
@uhoh Encontré el Problema de cálculo de empuje del impulsor de iones y su respuesta al tratar de resolverlo yo mismo, pero creo que me faltan algunos conceptos básicos que unen todo. En cuanto a las otras preguntas que vinculaste, definitivamente las revisaré. ¡Gracias!

Respuestas (1)

Puede obtener una respuesta muy aproximada solo de la física fundamental. Tus iones probablemente tienen mi unidad de carga (es decir, les falta un electrón), por lo que al pasar por un potencial V Voltios que adquirirán V mi Julios de energía. Entonces si tienen masa metro y velocidad de escape v conseguirás

1 2 metro v 2 = V mi ,
entonces
v = 2 V mi metro

Ahora supongamos que la corriente es I que determina el número norte de iones por segundo.

I = norte mi
dónde mi es la carga de un electrón, 1.6 × 10 − 19 culombios.

Así que ahora el empuje es el mismo que el impulso por segundo del escape, que es norte metro v para que podamos ensamblar todas nuestras ecuaciones para obtener

T = I × 2 V metro mi
Por ejemplo, un ion xenón tiene una masa de 131 daltons, que es 2.2 × 10 − 25 k gramo entonces para V = 10000 V y I = 1 A obtenemos

T = 20000 × 2.2 × 10 − 25 1.6 × 10 − 19 = 150 metro norte

Esto sería un consumo de energía de 10kW si fuera perfectamente eficiente. Siendo realistas, usaría más potencia y crearía menos empuje debido a las ineficiencias.

OK, déjame ver si entiendo esto correctamente. Voy a usar nitrógeno en lugar de xenón porque es más preciso para lo que estaría haciendo y para asegurarme de que no estoy copiando ciegamente sus ecuaciones. Nitrógeno
@saddlepiggie habrá varias desventajas interesantes al usar N2 en un propulsor de iones, así que pienso "¿Cuáles son los desafíos técnicos al usar nitrógeno en lugar de un gas noble para un propulsor de iones?" sería una excelente pregunta propia! Considere publicar eso como una nueva pregunta para que pueda responderse en una nueva publicación en lugar de en los comentarios.
@uhoh Ups, presioné enter antes de terminar. Revisé algunos recursos sobre por qué se usa xenón en naves espaciales antes de preguntar esto, y si lo entiendo correctamente es porque: 1. El xenón es muy pesado, lo que significa que obtienes más empuje por átomo que elementos más ligeros. 2. El xenón es relativamente fácil de ionizar. 3. No es radiactivo como átomos más pesados ​​como el radón. 4. Los gases nobles son estables. Bien, necesito irme a la cama ahora, pero volveré mañana y terminaré lo que comencé en mi primer comentario. También muchas gracias por la información que has puesto.
Las nuevas preguntas de @saddlepiggie deben publicarse como nuevas preguntas, no en los comentarios. Los comentarios se consideran temporales y se pueden eliminar en cualquier momento. Si lo publica como una nueva pregunta, proporciona espacio para que muchas personas publiquen respuestas, y estas fácilmente podrían contener información específica sobre nitrógeno que no leyó allí.
Continuando con mi primer comentario (lo siento si el formato es malo): solo para variar la ecuación, usaré .5 amperios y 15000 voltios. El nitrógeno tiene una masa de 2,3×10^−26 kg. Lo que significa que la ecuación se vería así: T=.5√30000×2.3×10−25 / 1.6×10^−19 = 33mN redondeado. Además, introducir tu última ecuación en una calculadora me da 165 mN. ¿Redondeaste esto o arruiné algo?
@saddlepiggy redondeé
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