Электрический ракетный двигатель принцип работы. Электрический ракетный двигатель. Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов
Многих металлов.
Продолжая начатый разговор, мы узнаем, что такое электрический реактивный двигатель , каковы принципы его работы и сфера применения, и даже получим ответ на вопрос, возможен ли полет на в ближайшее время…
Для начала вернемся к ударным взрывам металлов . Важнейшим условием этого процесса является скорость металла.
Если для урана критическая скорость 1 500 м/с, для железа она превышает 4 000 м/с.
Поэтому от некоторых метеоритов, падающих на землю с такой или даже большей скоростью, не остается и следа. Они превращаются в тончайшую …
На такую особенность обратил внимание еще в 1929 году знаменитый создатель наших двигателей и ракет Валентин Петрович Глушко.
Фото 1. Академик Валентин Петрович Глушко
Он написал статью под весьма интригующим заголовком «Металл как взрывчатое вещество».
В первых же ее строках автор сказал, что речь пойдет не об использовании металла в качестве взрывчатки, а о том, что при пропускании достаточно сильного импульса электрического тока через металлическую проволоку может произойти взрыв.
Температура при этом повышается до 300 000 градусов. Энергия такого взрыва превышает во много раз энергию взрыва самого мощного взрывчатого вещества, взятого в количестве, равном массе проволоки.
При этом сама энергия превышает энергию вызвавшего его импульса тока.
Электрический реактивный двигатель
Энергия такого взрыва была использована В.П. Глушко в миниатюрном электрическом реактивном двигателе (ЭРД) , разработанным в начале 1930-х годов.
Двигатель легко умещался на ладони.
В него поступала металлическая проволока и подавались электрические импульсы, превращающие ее в пар.
Фото 2. Электрический реактивный двигатель (ЭРД), созданный В.П. Глушко в 1929-1933 гг.
Этот пар выходил через специальное сопло со скоростью в несколько десятков тысяч метров в секунду.
Чтобы за 4 месяца набрать скорость 30 км/с, двигатель должен потреблять мощность… 300 Вт.
Не так много, в 3 раза меньше мощности утюга! Но у утюга есть розетка, а где взять розетку в ?
В качестве источника энергии для ракеты, оснащенной ЭРД, В.П. Глушко предложил использовать фотоэлементы.
Ракета, оснащенная такими двигателями, самостоятельно выйти в космос не может. Для старта должен применяться другой двигатель.
Но после выхода в космическое пространство «солнечная» ракета, оснащенная ЭРД, могла бы за несколько суток набрать такую скорость, которая недоступна для ракет любых других типов.
Подобная схема полета на Марс ныне рассматривается в российском проекте высадки космонавтов на Красную планету.
Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.
Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.
Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.
Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.
Химические ракетные двигатели (ХРД)
Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.
История создания
Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.
Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.
Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.
Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей
Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.
В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.
Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения
Достоинствами твердотопливных РД являются:
- простота конструкции;
- сравнительная безопасность в плане экологии;
- невысокая цена;
- надежность.
Недостатки РДТТ:
- ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
- невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
- небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.
Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).
Достоинства жидкостных РД:
- высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
- возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
- меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.
Недостатки ЖРД:
- сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
- в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.
Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.
Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)
Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.
История создания
Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.
Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.
Устройство и принцип действия
Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.
Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.
Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.
Преимущества и недостатки ЯРД
Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.
Электрические ракетные двигатели (ЭРД)
Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.
История создания
Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.
Устройство и принцип работы
Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.
Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.
Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.
Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.
Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования
Среди преимуществ ЭРД:
- высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
- малый расход топлива (рабочего тела).
Недостатки:
- высокий уровень потребления электроэнергии;
- сложность конструкции;
- небольшая тяга.
На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.
"В мире науки"
№ 5 2009 стр. 34-42
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
*
В обычных ракетных двигателях тяга возникает в результате сжигания химического топлива. В злектрореактивных она создается посредством ускорения электрическим или магнитным полем облака заряженных частиц или плазмы.
*
Несмотря на то что электрические ракетные двигатели характеризуются гораздо меньшей тягой, они позволяют при той же массе топлива в итоге разогнать космический аппарат до гораздо большей скорости.
*
Способность достигать высоких скоростей и высокий КПД использования рабочего вещества («топлива») делают электрореактивные двигатели перспективными для дальних космических полетов.
Одинокий во мраке космоса, зонд Dawn
(«Рассвет») NASA несется за орбиту Марса к поясу астероидов. Он должен собрать новые сведения о начальных этапах образования Солнечной системы: исследовать астероиды Весту и Цереру, представляющие собой крупнейшие остатки эмбрионов планет, в результате столкновения и взаимодействия которых друг с другом около 4,5-4,7
млрд лет назад сформировались сегодняшние планеты.
Однако этот полет примечателен не только своей целью. Dawn, стартовавший в октябре 2007 г., оснащен плазменным двигателем, способным сделать реальностью полеты на большие расстояния. На сегодняшний день существует несколько типов таких двигателей. Тяга в них создается посредством ионизации и ускорения электрическим полем заряженных частиц, а не путем сжигания жидкого или твердого химического топлива, как в обычных.
Создатели зонда Dawn из Лаборатории реактивной тяги NASA выбрали плазменный двигатель, поскольку для достижения пояса астероидов ему потребуется в десять раз меньше рабочего вещества, чем двигателю на химическом топливе. Традиционный ракетный двигатель позволил бы зонду Dawn достичь либо Весты, либо Цереры, но не обеих.
Электроракетные двигатели быстро завоевывают популярность. Недавний полет космического зонда Deep Space 1
NASA к комете стал возможным благодаря применению электрической тяги. Плазменные двигатели создавали также тягу, требовавшуюся для попытки посадки японского зонда Hayabusa
на астероид и для полета космического аппарата SMART-1
Европейского космического агентства к Луне. В свете продемонстрированных преимуществ разработчики в США, Европе и Японии при планировании дальних полетов выбирают именно такие двигатели для будущих миссий по исследованию Солнечной системы и поиску за ее пределами планет, подобных Земле. Плазменные двигатели также позволят превратить космический вакуум в лабораторию для фундаментальных физических исследований.
Близится эра долгих полетов
Возможность использования электричества при создании двигателей для космических аппаратов рассматривалась еще в первом десятилетии XX в. В середине 1950-х гг. Эрнст Штулингер (Trnst Stuhlinger), член легендарной команды немецких ракетчиков Вернера фон Брауна (Wernher von Braun), которая возглавила космическую программу США. перешел от теории к практике. Несколькими годами позднее инженеры Гленновского исследовательского центра NASA (который тогда назывался Льюисовским) создали первый работоспособный плазменный двигатель. В 1964 г. таким двигателем, который использовался для коррекции орбиты перед вхождением в плотные слои атмосферы, был оснащен аппарат, совершивший суборбитальный полет в рамках программы Space Electric Rocket Test.
Концепция плазменных электрореактивных двигателей независимо разрабатывалась и в СССР. С середины 1970-х гг. советские инженеры использовали такие двигатели для обеспечения ориентации и стабилизации геостационарной орбиты телекоммуникационных спутников, поскольку они расходуют малое количество рабочего вещества.
Ракетные реалии
Достоинства плазменных двигателей особенно впечатляют в сравнении с недостатками обычных ракетных двигателей. Когда люди представляют себе стремящийся сквозь черную пустоту к далекой планете космический корабль, перед их мысленным взором возникает длинный факел пламени из сопла двигателей. На деле все выглядит совершенно иначе: почти все топливо расходуется в первые минуты полета, так что дальше корабль движется к своей цели по инерции. Ракетные двигатели на химическом топливе поднимают космические аппараты с поверхности Земли и позволяют корректировать траекторию в ходе полета. Но для исследования дальнего космоса они непригодны, поскольку для них требуется такое большое количество топлива, поднять которое с Земли на орбиту практичным и экономически приемлемым способом не представляется возможным.
В длительных полетах, чтобы достичь высокой скорости и точности выхода на заданную траекторию без дополнительных затрат топлива, зондам приходилось отклоняться от своего пути в направлении планет или их спутников, способных придать ускорение в нужном направлении за счет сил тяготения (эффект гравитационной рогатки, или маневр с использованием сил тяготения). Такой «окольный» маршрут ограничивает возможности запуска довольно короткими временными окнами, гарантирующими точное прохождение мимо небесного тела, которое должно играть роль гравитационного ускорителя.
Для проведения длительных исследований космический аппарат должен иметь возможность скорректировать траекторию движения, выйти на орбиту вокруг объекта и тем обеспечить условия выполнения поставленной задачи. Если совершить маневр не удастся, то время, доступное для наблюдений, будет очень коротким. Так, космический зонд New Horizons NASA запущенный в 2006 г., приблизившись к Плутону спустя девять лет, сможет наблюдать его в очень короткий промежуток времени, не превышающий одних земных суток.
Уравнение движения ракеты
Почему же до сих пор не был предложен способ отправить в космос достаточное количество топлива? Что препятствует решению данной проблемы?
Попробуем разобраться. Для объяснения используем основное уравнение движения ракеты - формулу Циолковского, которую специалисты применяют при расчете массы топлива, необходимой для данной задачи. Вывел ее в 1903 г. русский ученый К.Э. Циолковский, один из отцов ракетной техники и космонавтики.
|
ХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАКЕТЫ
Электрические ракетные двигатели (справа), в которых рабочим телом (топливом) служит плазма, т.е. ионизированный газ, развивают гораздо меньшую тягу, но расходуют несравненно меньше топлива, что позволяет им работать намного дольше. А в космической среде при отсутствии сопротивления движению малая сила, действующая длительное время, позволяет достичь таких же и даже более высоких скоростей. Эти характеристики делают плазменные ракеты подходящими для дальних полетов к нескольким пунктам назначения |
 |
По сути, данная формула математически описывает тот интуитивно осознаваемый факт, что чем выше скорость истечения продуктов сгорания из ракеты, тем меньше топлива нужно для осуществления данного маневра. Представьте себе подающего в бейсболе (ракетный двигатель), стоящего с корзиной мячей (топлива) на скейтборде (космическом аппарате). Чем выше скорость, с которой он бросает мячи назад (скорость истечения продуктов сгорания), тем с большей скоростью будет катиться скейтборд после того, как он бросит последний мяч, или, что эквивалентно, тем меньше мячей (топлива) потребуется ему для увеличения скорости скейтборда на заданную величину. Ученые обозначают это приращение скорости символом dV
(читать дельта-вэ).
Более конкретно: формула связывает массу топлива, необходимую ракете для выполнения конкретной задачи в дальнем космосе, с двумя ключевыми величинами: скоростью истечения продуктов сгорания из сопла ракеты и значением dV
, достижимым в результате сжигания данного количества топлива. Значение dV
соответствует энергии, которую должен затратить космический аппарат для изменения своего движения по инерции и выполнения требуемого маневра. Для данной ракетной технологии (обеспечивающей данную скорость истечения) уравнение движения ракеты позволяет рассчитать массу топлива, необходимую для достижения требуемого значения dV
, т.е. для выполнения необходимого маневра. Таким образом. dV
можно рассматривать как «цену» задачи, поскольку затраты на вывод топлива на траекторию полета обычно составляют основную часть затрат на выполнение всей задачи.
В обычных ракетах на химическом топливе скорость истечения продуктов сгорания невелика (3-4
км/с). Уже одно это обстоятельство ставит под сомнение целесообразность их применения для дальних полетов. Кроме того, форма уравнения движения ракеты показывает, что с увеличением dV
доля топлива в начальной массе космического аппарата («массовая доля топлива») растет экспоненциально. Следовательно, в аппарате для дальних полетов, требующих большого значения dV
, на топливо придется почти вся стартовая масса.
Рассмотрим несколько примеров. В случае полета к Марсу с низкой околоземной орбиты требуемое значение dV
составляет около 4,5
км/с. Из уравнения движения ракеты следует, что массовая доля топлива, необходимая для осуществления такого межпланетного перелета, составляет больше 2/3
. Для полетов в более далекие области Солнечной системы, например к внешним планетам, требуется dV
от 35
до 70
км/с. На долю топлива в обычной ракете придется отвести 99,98
% стартовой массы. При этом для оборудования или иной полезной нагрузки места не останется. По мере того как пунктами назначения космических аппаратов становятся все более далекие области Солнечной системы, двигатели на химическом топливе будут становиться все более бесперспективными. Возможно, инженеры найдут способ существенно увеличить скорость истечения продуктов сгорания. Но это весьма непростая задача. Потребуется очень высокая температура горения, что ограничивается как количеством энергии, выделяемой в результате химической реакции, так и жаропрочностью материала стенок ракетного двигателя.
Плазменное решение
Плазменные двигатели позволяют получить гораздо более высокие скорости истечения. Тяга создается за счет ускорения плазмы - частично или полностью ионизированного газа - до скоростей, существенно превышающих предельные для обычных газодинамических двигателей. Плазма создается посредством сообщения газу энергии, например при облучении его лазером, микро- или радиочастотными волнами, либо с помощью сильных электрических полей. Избыточная энергия отрывает электроны от атомов или молекул, которые в результате этого приобретают положительный заряд, а оторванные электроны получают возможность свободно двигаться в газе, благодаря чему ионизированный газ становится гораздо лучшим проводником тока, чем металлическая медь. Поскольку плазма содержит заряженные частицы, движение которых в большой степени определяется электрическим и магнитным полями, воздействие на нее электрическим или электромагнитным полями способно ускорять ее компоненты и выбрасывать их в качестве рабочего вещества для создания тяги. Необходимые поля можно создавать с помощью электродов и магнитов, используя внешние антенны или проволочные катушки, либо путем пропускания тока через плазму.
Энергию для создания и ускорения плазмы обычно получают от солнечных батарей. Но для космических аппаратов, направляющихся за орбиту Марса, потребуются атомные источники энергии, т.к. при удалении от Солнца интенсивность потока солнечной энергии уменьшается. Сегодня в автоматических космических зондах используются термоэлектрические устройства, нагреваемые за счет энергии распада радиоактивных изотопов, но для более продолжительных полетов потребуются ядерные или даже термоядерные реакторы. Включаться они будут только после вывода космического аппарата на стабильную орбиту, находящуюся на безопасном расстоянии от Земли, до начала работы ядерное топливо должно поддерживаться в инертном состоянии.
До уровня практического применения разработаны три типа электроракетных двигателей. Шире всего применяется ионный двигатель, которым и был оснащен зонд Down.
Ионный двигатель
Идею ионного двигателя, одну из наиболее успешных концепций электрического метода создания тяги, выдвинул сто лет назад американский пионер ракетной техники Роберт Год-дард (Robert H. Goddard), будучи еще аспирантом Вустерского политехнического института. Ионные двигатели позволяют получать скорости истечения от 20
до 50
км/с (врезка на следующей стр.).
В наиболее распространенном варианте такой двигатель получает энергию от панелей фотоэлементов с запорным слоем. Он представляет собой короткий цилиндр размерами немного больше ведра, установленный в кормовой части космического аппарата. Из «топливного» бака в него подается газообразный ксенон, который поступает в ионизационную камеру, где электромагнитное поле отрывает от атомов ксенона электроны, создавая плазму. Ее положительные ионы вытягиваются и разгоняются до очень высоких скоростей электрическим полем между двумя сетчатыми электродами. Каждый положительный ион плазмы испытывает сильное притяжение к отрицательному электроду, расположенному в задней части двигателя, и поэтому ускоряется в направлении назад.
Истечение положительных ионов создает на космическом аппарате отрицательный заряд, который по мере накопления будет притягивать вылетевшие ионы обратно к аппарату, сводя тягу к нулю. Чтобы это предотвратить, используют внешний источник электронов (отрицательный электрод или электронную пушку), вводящий электроны в поток истекающих ионов. Таким образом обеспечивается нейтрализация истекающего потока, в результате чего космический аппарат остается электрически нейтральным.
Сегодня коммерческие космические аппараты (в основном - спутники связи на геостационарных орбитах) оснащены десятками ионных двигателей, которые используются для коррекции их положения на орбите и ориентации.
Первым в мире космическим аппаратом, в котором для преодоления земного тяготения при старте с околоземной орбиты была использовав на электрическая система создания тяги, стал в конце XX в. зонд Deep Space 1
Чтобы пролететь сквозь пылевой хвост кометы Боррелли, ему потребовалось увеличить скорость на 4,3
км/с, на что было израсходовано менее 74
кг ксенона (примерно такую массу имеет полная пивная бочка). Это самое большое на сегодня приращение скорости, полученное каким-либо космическим аппаратом с помощью тяги, а не гравитационной рогатки. Dawn вскоре должен превысить рекорд примерно на 10
км/с. Инженеры Лаборатории реактивного движения недавно продемонстрировали ионные двигатели, способные непрерывно работать больше трех лет.
НАЧАЛО ЭРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
1903
г.: К.Э. Циолковский вывел уравнение движения ракеты, широко используемое для расчета расхода топлива в космических полетах. В 1911 г. он предположил, что электрическое поле может ускорять заряженные частицы для создания реактивной тяги
1906
г.: Роберт Годдард рассмотрел использование электростатического ускорения заряженных частиц для создания реактивной тяги. В 1917 г. он создал и запатентовал двигатель - предшественник современных ионных двигателей
1954
г.: Эрнст Штулингер показал, как оптимизировать характеристики ионного двигателя
1962
г.: Опубликовано первое описание холловского двигателя - более мощного типа плазменных двигателей, - созданного на основе работ советских, европейских и американских исследователей
1962
г.: Адриано Дукати (Adriano Ducati) открыл принцип действия магнитоплаз-модинамического (МПД) двигателя - самого мощного типа плазменных двигателей
1964
г.: Космический аппарат SERT 1
NASA провел первое успешное испытание ионного двигателя в космосе
1972
г.: Советский спутник «Метеор» совершил первый космический полет с использованием холловского двигателя
1999
г.: Космический зонд Deep Space 1
Лаборатории неактивной тяги NASA продемонстрировал первое успешное использование ионного двигателя в качестве главной двигательной установки для преодоления земного тяготения при старте с околоземной орбиты
Характеристики электроракетных двигателей определяются не только скоростью истечения заряженных частиц, но и плотностью тяги - значением силы тяги, приходящимся на единицу площади отверстия, через которое эти частицы истекают. Возможности ионных и аналогичных электростатических двигателей ограничиваются объемным зарядом, который налагает очень низкий предел на достижимую плотность тяги. Дело в том, что по мере прохождения положительных ионов через электростатические сетки двигателя между ними неизбежно накапливается положительный заряд, который уменьшает напряженность электрического поля, ускоряющего ионы.
Из-за этого тяга двигателя зонда Deep Space
1 эквивалентна примерно весу листа бумаги, что очень далеко от тяги двигателей в научно-фантастических фильмах. Для разгона автомобиля с помощью такой силы от нуля до 100
км/ч (при отсутствии сопротивления движению: автомобиль, стоящий на земле, такая сила даже не сдвинет с места. - Прим. пер.) потребовалось бы больше двух суток. В космическом вакууме, который не оказывает сопротивления, сообщить аппарату большую скорость способна даже очень малая сила, если она действует достаточно долго.
Холловский двигатель
Вариант плазменного двигателя, называемый холловским (врезка на стр. 39), свободен от ограничений, налагаемых объемным зарядом, и поэтому способен разгонять космический аппарат до высоких скоростей быстрее, чем ионный двигатель сравнимого размера (благодаря большей плотности тяги). На Западе данная технология получила признание в начале 1990-х гг., на три десятилетия позже начала разработок в бывшем СССР.
Принцип действия двигателя основан на использовании фундаментального эффекта, открытого в 1879 г. Эдвином Холлом (Edwin H. Hall), который был тогда аспирантом в Университете Джонса Хопкинса. Холл показал, что в проводнике, в котором созданы взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля, возникает электрический ток (называемый холловским) в направлении, перпендикулярном обоим этим полям.
В холловском двигателе плазма создается электрическим разрядом между внутренним положительным электродом (анодом) и наружным отрицательным электродом (катодом). Разряд отрывает электроны от нейтральных атомов газа в промежутке между электродами. Образующаяся плазма ускоряется в направлении выходного отверстия цилиндрического двигателя силой Лоренца, которая возникает в результате взаимодействия приложенного радиального магнитного поля с электрическим током (в данном случае - холловским), который течет в азимутальном направлении, т.е. вокруг центрального электрода. Холловский ток создается движением электронов в электрическом и магнитном полях. В зависимости от располагаемой мощности скорости истечения могут составлять от 10
до 50
км/с.
Этот тип плазменного двигателя свободен от ограничений, налагаемых объемным зарядом, поскольку в нем ускоряется вся плазма (как положительные ионы, так и отрицательные электроны). Поэтому достижимая плотность тяги и, следовательно, ее сила (а значит, и потенциально достижимое значение dV
) оказываются во много раз выше, чем у ионного двигателя таких же размеров. На спутниках на околоземных орбитах уже работает больше 200 холловских двигателей. И именно такой двигатель был использован Европейским космическим агентством для экономичного разгона космического аппарата SMART 1
при полете к Луне.
 |
Размеры холловских двигателей довольно малы, и инженеры пытаются создать такие устройства, чтобы к ним можно было подводить более высокие мощности, необходимые для получения высоких скоростей истечения и значений силы тяги.
Ученые из Лаборатории физики плазмы Принстонского университета достигли определенных успехов, установив на стенках холловского двигателя секционированные электроды, которые формируют электрическое поле таким образом, чтобы сфокусировать плазму в узкий выходной пучок. Конструкция уменьшает бесполезный неосевой компонент тяги и позволяет увеличить ресурс двигателя благодаря тому, что плазменный пучок не соприкасается со стенками двигателя. Немецкие инженеры достигли примерно таких же результатов, применив магнитные поля особой конфигурации. А исследователи Стэнфордского университета показали, что покрытие стенок двигателя прочным поликристаллическим алмазом значительно повышает их стойкость к эрозии под действием плазмы. Все эти усовершенствования сделали холловские двигатели пригодными для дальних космических полетов.
Двигатель следующего поколения
Один из способов дальнейшего повышения плотности тяги состоит в увеличении общего количества плазмы, ускоряемой в двигателе. Но с подъемом плотности плазмы в холловском двигателе растет частота соударений электронов с атомами и ионами, что
мешает электронам переносить холловский ток, необходимый для ускорения. Использовать более плотную плазму позволяет магнитоплазмодинамический (МПД) двигатель, в котором вместо холловского тока используется ток, направленный в основном вдоль электрического поля (врезка слева) и в гораздо меньшей степени подверженный разрушению из-за столкновений с атомами.
В общих чертах МПД-двигатель состоит из центрального катода, расположенного внутри цилиндрического анода большего размера. Газ (обычно пары лития) подается в кольцевой промежуток между катодом и анодом, где ионизуется электрическим током, текущим в радиальном направлении от катода к аноду. Ток создает азимутальное магнитное поле (окружающее центральный катод), а взаимодействие поля и тока порождает силу Лоренца, создающую тягу.
МПД-двигатель размером с обычное ведро способен перерабатывать около мегаватта мощности от солнечного или ядерного источника и позволяет получать скорости истечения от 15 до 60 км/с. Поистине, мал да удал.
Еще одно достоинство МПД-двигателя - возможность дросселирования: скорость истечения и тягу в нем можно регулировать, изменяя силу тока или расход рабочего вещества. Это дает возможность менять тягу двигателя и скорость истечения применительно к потребности оптимизации траектории полета. Интенсивные исследования процессов, ухудшающих характеристики МПД-двигателей и влияющих на срок их службы, в частности плазменной эрозии, нестабильностей плазмы и потерь мощности в ней, позволили создать новые двигатели с высокими характеристиками. В качестве рабочих веществ в них используются пары лития или бария. Атомы этих металлов легко ионизуются, что уменьшает внутренние потери энергии в плазме и дает возможность поддерживать более низкую температуру катода. Применение жидких металлов в качестве рабочих веществ и необычная конструкция катода с каналами, изменяющими характер взаимодействия электрического тока с его поверхностью, помогли существенно уменьшить эрозию катода и создать более надежные МПД-двигатели.
Группа ученых из академических организаций и NASA недавно завершила разработку новейшего «литиевого» МПД-двигателя под названием а2
. потенциально способного доставить к Луне и Марсу космический аппарат с ядерной силовой установкой, несущий большую полезную нагрузку и людей, а также обеспечить полеты автоматических космических станций к внешним планетам Солнечной системы.
Черепаха побеждает
Ионный, холловский и магнитоплазмодинамический - три типа плазменных двигателей, уже нашедших практическое применение. За последние десятилетия исследователями предложено много перспективных вариантов. Разрабатываются двигатели, работающие в импульсном и в непрерывном режиме. В одних плазма создается с помощью электрического разряда между электродами, в других - индуктивным способом с помощью катушки или антенны. Различаются и механизмы ускорения плазмы: с использованием силы Лоренца, путем введения плазмы в создаваемые магнитным способом токовые слои, или с помощью бегущей электромагнитной волны. В одном из типов даже предполагается выбрасывать плазму через невидимые «ракетные сопла», создаваемые с помощью магнитных полей.
Во всех случаях плазменные ракетные двигатели набирают скорость медленнее обычных. Тем не менее благодаря парадоксу «чем медленнее, тем быстрее» они позволяют достичь далеких целей в более короткий срок, так как в итоге разгоняют космический аппарат до скорости значительно большей, чем двигатели на химическом топливе при той же массе топлива. Это позволяет избежать траты времени на отклонения к телам, обеспечивающим эффект гравитационной рогатки. Как в знаменитой истории о медлительной черепахе, которая в итоге обгоняет зайца, в «марафонских» полетах, которых в грядущую эру исследования дальнего космоса будет совершаться все больше, черепаха победит.
Сегодня самые передовые плазменные двигатели способны обеспечить dV
до 100
км/с. Этого вполне достаточно для совершения полетов к внешним планетам за разумное время. Один из самых впечатляющих проектов в области исследования дальнего космоса предусматривает доставку на Землю образцов грунта с Титана - самого крупного спутника Сатурна, имеющего, по предположениям ученых, атмосферу, очень похожую на ту, которая окутывала Землю миллиарды лет назад.
Образец с поверхности Титана предоставит ученым редкую возможность поиска признаков химических предшественников жизни. Ракетные двигатели на химическом топливе делают такую экспедицию неосуществимой. Использование гравитационных рогаток увеличило бы время полета более чем на три года. А зонд с «маленьким, да удаленьким» плазменным двигателем сможет совершить такое путешествие значительно быстрее.
Перевод: И.Е. Сацевич
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Benefits of Nuclear Electric Propulsion for Outer Planet Exploration. G. Woodcock et al. American institute of Aeronautics and Astronautics, 2002.
Electric Propulsion. Robert G. Jahn and Edgar Y. Choueiri in Encyclopedia of Physical Science and Technology. Third edition. Academic Press, 2002.
A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906-1956). Edgar Y. Choueiri in Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 2, pages 193-203; 2004.
Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov
Изобретение относится к электрореактивным двигателям. Изобретение представляет собой двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними. Шашка выполнена из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, например из титаната бария, и на одной ее стороне установлены анод и катод, а к другой стороне прикреплен проводник. Шашка может иметь форму диска с катодом и анодом, установленными коаксиально или диаметрально противоположно. Изобретение позволяет создать простой по конструкции импульсный электрический реактивный двигатель с высокими удельными параметрами. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия на твердофазном рабочем теле. Известны импульсные плазменные двигатели с системой подачи газообразного рабочего тела (например ксенон, аргон, водород) и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом политетрафторэтиленом (ПТФЭ) . Основным недостатком первого типа двигателей является сложная система импульсной строго дозируемой подачи рабочего тела вследствие трудности ее синхронизации с импульсами разрядного напряжения и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае (эрозионный тип, рабочее тело - ПТФЭ) удельные параметры имеют низкие значения, максимальный КПД не превышает 15% из-за преобладающего теплового механизма получения и ускорения плазмы электрического разряда. Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный электрический плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле (в том числе и ПТФЭ) с преобладающим электронно-детонационным типом пробоя (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анода) . Такой тип двигателя позволяет получать на рабочем теле ПТФЭ более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда источника плазмы. Наличие дуговой стадии разряда кроме того ведет к появлению неустойчивости процесса генерации плазмы на поверхности рабочего тела типа плазменных жгутов с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью и, как следствие, к закорачиванию межэлектродного промежутка по упомянутым каналам. В литературе описаны результаты исследований по незавершенному типу пробоя по поверхности диэлектрика на токах, реализуемых в момент зарядки конденсатора, содержащего диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости. На базе данного типа пробоя создан эффективный источник частиц (ионов или электронов) импульсного типа . Однако при оценке возможности использования его в составе импульсного ЭРД на базе ионной компоненты с частотой включения десятки-сотни герц возникают проблемы разрядки (деполяризации) диэлектрика, используемого в качестве рабочего тела, а также проблемы стойкости электрода-сетки, выполняющего роль экстрактора частиц, и проблемы нейтрализации ионов. Целью предлагаемого изобретения является создание простого по конструкции с частотой включений до 100 и более герц импульсного ЭРД для получения малой тяги за однократный разряд генератора, но с высокими удельными параметрами. Желаемый уровень тягового секундного импульса обеспечивается регулировкой частоты включения. Данная цель достигается тем, что в импульсном электрическом реактивном двигателе торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящем из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними, предлагается шашку рабочего тела выполнить из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и установить на одной стороне шашки анод и катод, а на другой стороне шашки установить или нанести проводник. Предпочтительным материалом для шашки рабочего тела является титанат бария, а наиболее конструктивной формой - форма диска. Анод и катод могут быть установлены коаксиально или диаметрально противоположно. Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 приведен вариант импульсного ЭРД с коаксиально расположенными анодом и катодом; на фиг.2 - вариант с анодом и катодом, установленными диаметрально противоположно. Предлагаемый двигатель состоит из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, например титаната бария с 1000. Такая шашка может иметь форму диска, на одну из сторон которого нанесен проводник 2 в виде тонкого слоя, например, методом напыления или в виде плотно прижатой к поверхности диэлектрика металлической пластины. На другой стороне шашки находятся анод 3 и катод 4, расположенные либо коаксиально (фиг.1), либо диаметрально противоположно (фиг. 2). В таком устройстве при подаче напряжения на анод и катод межэлектродное перекрытие диэлектрика происходит по поверхности диэлектрика и начинается с обоих электродов как результат зарядки двух последовательно соединенных конденсаторов, образованных системами "анод - диэлектрик - проводник" и "проводник - диэлектрик - катод". В результате имеем над поверхностью диэлектрика два плазменных факела (анодный и катодный), движущихся навстречу друг другу, при этом проводник 2 (токопроводящая пластина) устройства будет иметь плавающий потенциал, обусловленный характером протекания токов смещения через диэлектрик. В момент слияния анодного и катодного факелов происходит нейтрализация избыточного положительного заряда ионов, механизм образования которых обусловлен электронно-детонационным типом пробоя для анодного факела. Плазма, полученная после слияния двух факелов, приобретает дополнительное ускорение в режиме разрядки (деполяризации) и выделения запасенной в таком конденсаторе энергии по типу линейного ускорителя. Для реализации эффекта дополнительного ускорения высоту электродов (анода и катода) вдоль потока плазмы формируют, исходя из реального времени, требуемого на разрядку емкости конструкции ЭРД. Такая конструкция устройства и режим его работы позволяют создать импульсный ЭРД с высокими значениями параметров и большой частотой включений (макетный образец указанного типа ЭРД на базе доработанных стандартных высоковольтных (менее 10 кВ) конденсаторов типа КВИ-3 работает в НИИМАШе с частотой включений до 50 Гц). Для работы такого ЭРД необходим генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Длительность импульсов, подаваемых на электроды, определяется временем зарядки емкости конструкции ЭРД. Для устранения неустойчивостей типа плазменных жгутов длительность высоковольтного импульса с генератора не должна превышать длительности зарядки емкости конструкции ЭРД. Максимальная частота включений ЭРД определяется временем, требуемым на полный цикл по зарядке и разрядке емкости конструкции ЭРД. Размеры катодного и анодного плазменных факелов, движущихся навстречу друг другу, определяются скоростью перекрытия диэлектрика, зависящей от амплитуды напряжения, величины емкости конструкции, а также от времени задержки начала процесса генерации плазменных факелов. Это время задержки в свою очередь зависит от геометрических параметров зоны анод-диэлектрик, катод-диэлектрик, типа диэлектрика, площади проводника. Работает такой ЭРД следующим образом. При подаче на анод 3 и катод 4 высоковольтного импульса напряжения длительностью, соответствующей времени зарядки емкости конструкции ЭРД, генерируются два движущихся навстречу плазменных факела (анодный от анода и катодный - от катода). Анодный факел имеет избыточный положительный заряд ионов рабочего тела (применительно к такому диэлектрику как керамика титаната бария, это в основном ионы бария как наиболее легко ионизуемого элемента). Плазма катодного факела обусловлена генерацией электронов из катода и бомбардировкой ими поверхности диэлектрика. В момент встречи катодный факел нейтрализует анодный и происходит ускорение плазменного сгустка по типу линейного ускорителя в фазе разрядки емкости конструкции ЭРД через плазму. Следует отметить, что возникающие при сближении пламенных факелов зоны межфакельных пробоев строго не локализованы, то есть не "привязаны" к определенным местам на поверхности диэлектрика в процессе наработки большого числа импульсов. Указанный режим работы такого ЭРД будет способствовать получению высоких значений КПД и скоростей истечения плазмы. Существенной особенностью предлагаемого ЭРД является частотно-импульсный режим работы (с частотой до 100 Гц и более) с возможностью практически мгновенного набора и сброса тяги. Благодаря этой особенности и с учетом реально имеющейся на борту космического аппарата (КА) электрической мощности область эффективного применения двигательной установки (ДУ) на базе предлагаемого импульсного ЭРД может быть расширена, а именно:
Поддержание геостационарных КА в направлении север - юг, восток - запад;
Компенсация аэродинамического сопротивления КА;
Смена орбит и увод отработавших или отказавших КА в заданную область. Источники информации
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1975, с. 198-223. 2. Фаворский О. Н. , Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. - М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978, с. 170-173. 3. Л. Кейвни (перевод с английского под ред. А.С. Коротеева). Космические двигатели - состояние и перспективы. - М., 1988, с. 186-193. 4. Патент на изобретение 2146776 от 14 мая 1998. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле. 5. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. УрО РАН, Екатеринбург, 2000. 6. Бугаев С.П., Месяц Г.А. Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме. ДАН СССР, 1971, т. 196, 2. 7. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1-УрО РАН, 1993, с. 68-73, часть 3, с. 53-56. 8. Бугаев С.П., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Плазменный импульсный источник заряженных частиц. Авторское свидетельство 248091.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Импульсный электрический реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и расположенной между ними, отличающийся тем, что катод и анод расположены на одной стороне шашки и удалены друг от друга, а на другую сторону нанесен проводник. 2. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что шашка рабочего тела выполнена из титаната бария. 3. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что шашка рабочего тела имеет форму диска. 4. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что катод и анод установлены коаксиально. 5. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что катод и анод установлены диаметрально противоположно.Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ) .
Введение
Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский . В -1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.
С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ) , а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела . Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.
Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.
- сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели;
- импульсные двигатели.
ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.
Электростатические делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) - ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые принято называть стационарными плазменными двигателями (СПД) , также встречается (всё реже) наименование - линейный холловский двигатель (ЛХД), в западной литературе именуется холловским двигателем. УЗДУ обычно называются двигателями с ускорением в анодном слое (ДАС).
К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) относят двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, торцевой холловский двигатель - ТХД).
Импульсные двигатели используют кинетическую энергию газов, появляющихся при испарении твёрдого тела в электрическом разряде.
В качестве рабочего тела в ЭРД могут применяться любые жидкости и газы , а также их смеси. Тем не менее, для каждого типа двигателей существуют рабочие тела, применение которых позволяет достигнуть наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак , для электростатических - ксенон , для сильноточных - литий , для импульсных - фторопласт .
Недостатком ксенона является его стоимость, обусловленная небольшим годовым производством (менее 10 тонн в год во всём мире), что вынуждает исследователей искать другие РТ, похожие по характеристикам, но менее дорогие. В качестве основного кандидата на замену рассматривается аргон . Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе. Энергия , затраченная на ионизацию на единицу ускоренной массы, является одним из источников потерь КПД .
Краткие технические характеристики
ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.
В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 10 20 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g ). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.
Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.
Перспективы
Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами , они способны работать длительное время и осуществлять медленные полеты на большие расстояния