Joomla и шаблоны

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, электроракетный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки КА (обычно СБ или аккумуляторные батареи). По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические ракетные двигатели, электростатические ракетные двигатели и электромагнитные ракетные двигатели. В электротермическом РД электрическая энергия применяется для нагрева рабочего тела (РТ) с целью обращения его в газ с температурой 1000—5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В электростатическом РД, например ионном, вначале производится ионизация РТ, после чего положительные ионы ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов) и, истекая из сопла, создают тягу (для нейтрализации заряда реактивной струи в неё инжектируются электроны).erd

В электромагнитном РД (плазменном) РТ является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещённых электрическом и магнитном полях. На базе указанных основных типов (классов) ЭРД возможно создание различ промежуточных и комбинированных вариантов, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям применения. Кроме того, некоторые ЭРД при изменении режима электропитания могут “переходить” из одного класса в другой.

ЭРД имеет исключительно высокий удельный импульс — до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1—100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками Н. Для ЭРД характерны размеры ~ 0,1 м и масса порядка нескольких кг.

Рабочие тела ЭРД определяются сущностью процессов, протекающих в различных типах этих двигателей, и отличаются большим разнообразием: это низкомолекулярные или легко диссоциирующие газы и жидкости (в электротермических РД); щелочные или тяжёлые, легко испаряющиеся металлы, а также органические жидкости (в электростатических РД); различные газы и твёрдые вещества (в электромагнитных РД). Обычно бак с РТ совмещается конструктивно с ЭРД в едином двигательном блоке (модуле). Разделение источника энергии и РТ способствует весьма точному регулированию тяги ЭРД в широких пределах при сохранении высокого значения удельного импульса. Многие ЭРД способны работать сотни и тысячи часов при многократном включении. Некоторые ЭРД, являющиеся по своему принципу импульсными РД, допускают десятки млн. включений. Экономичность и совершенство рабочего процесса ЭРД характеризуются значениями коэффициента полезного действия и цены тяги, размеры ЭРД — значением плотности тяги.

Важной характеристикой ЭРД являются параметры электропитания. В связи с тем, что для большинства существующих и перспективных бортовых энергоустановок характерно генерирование постоянного тока сравнительно низкого напряжения (единицы — десятки В) и большой силы (до сотен и тысяч А), проще всего вопрос электропитания решается в электротермических РД, являющихся преимущественно низковольтными и сильноточными. Эти РД могут питаться также от источника переменного тока. Наибольшие трудности с электропитанием возникают при использовании электростатических РД, для работы которых необходим постоянный ток высокого (до 30—50 кВ) напряжения, хотя и малой силы. В этом случае необходимо предусматривать преобразующие устройства, которые значительно увеличивают массу ДУ. Наличие в ДУ рабочих элементов, связанных с электропитанием ЭРД, и малое значение тяги ЭРД определяют чрезвычайно низкую тяговооружённость КА с этими двигателями. Поэтому ЭРД имеет смысл применять только в КА после достижения 1-й космической скорости с помощью химического или ядерного РД (кроме того, некоторые ЭРД вообще могут работать лишь в условиях космического вакуума).

Идея использования электрической энергии для получения реактивной тяги обсуждалась ещё К.Э. Циолковским и др. пионерами космонавтики. В 1916—17 г. Годдард подтвердил опытами реальность этой идеи. В 1929—33 В.П. Глушко создал экспериментальный электротермический РД. Затем в связи с отсутствием средств доставки ЭРД в космос и проблематичностью создания источников электропитания с приемлемыми параметрами разработки ЭРД были прекращены. Они возобновились в конце 50-х — начале 60-х гг. и были стимулированы успехами космонавтики и физики высокотемпературной плазмы (развитой в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза). К началу 80-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций ЭРД в составе КА и высотных атмосферных зондов. В 1964 испытаны впервые в полёте электромагнитные (СССР) и электростатические (США) РД, в 1965 — электротермические РД (США). ЭРД использовались для управления положением и коррекций орбит КА, для перевода КА на другие орбиты. Значительные успехи в создании ЭРД достигнуты в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Проектные исследования показали целесообразность применения ЭРД в реактивных системах управления КА, рассчитанных на длительную работу (несколько лет), а также в качестве маршевых двигателей КА, совершающих сложные околоземные орбитальные переходы и межпланетные перелёты. Использование для указанных целей ЭРД вместо химических РД позволит увеличить относительную массу полезного груза КА, а в некоторых случаях сократить сроки полёта или сэкономить средства.

В связи с малым ускорением, сообщаемым КА электрическими двигателями, маршевые ДУ с ЭРД должны работать непрерывно в течение нескольких месяцев (например, при переходе КА с низкой орбиты на геосинхронную) или несколько лет (при межпланетных полётах). В США исследовалась, например, маршевая ДУ с несколькими ионными ЭРД тягой по 135 мН и удельным импульсом ~ 30 км/с, питаемыми от солнечной энергетической установки. В зависимости от числа ЭРД и запаса РТ (ртуть) ДУ могла бы обеспечить полёт КА к кометам и астероидам, вывод КА на орбиты Меркурия, Венеры, Сатурна, Юпитера, посылку КА, способного доставить на Землю марсианский грунт, посылку исследовательских зондов в атмосферы внешних планет и их спутников, вывод КА на околосолнечные орбиты вне плоскости эклиптики и т. д. В частности, ДУ в варианте с 6 ЭРД и запасом РТ в 530 кг смогла бы обеспечить пролёт около кометы Энке — Баклунда полезного груза массой 410 кг (включая 60 кг научной аппаратуры).

Исследуются также ДУ с ЭРД, питаемыми от ядерных энергетических установок. Использование этих установок, параметры которых не зависят от внешних условий, представляется целесообразным при электрической мощности КА свыше 100 кВт. Указанные ДУ могут обеспечить манёвры транспортных кораблей вблизи Земли, а также полёты между Землёй и Луной, посылку КА для детального исследования внешних планет, полёты межпланетных пилотируемых КК и т.д. Согласно предварительным проработкам, КА с начальной массой 20—30 т, снабжённый реакторной энергоустановкой мощностью в несколько сотен кВт и небольшим числом импульсных электромагнитных ЭРД с тягой по несколько десятков Н, смог бы в течение 8—9 лет исследовать детально систему Юпитера, доставив на Землю образцы грунта его спутников. Достижение высоких расчётных характеристик ДУ для такого КА требует, однако, решения многих проблем.

Разработка ЭРД способствует решению теоретических вопросов и созданию специальных материалов, технологических процессов, элементов и устройств, имеющих большое значение для развития промышленных технологических процессов, электротехники, электроники, лазерной техники, термоядерной физики, газодинамики, а также космических, химических и медицинских исследований.

В.И. Прищепа, В.Н. Хазов.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, плазменный ракетный двигатель — электрический ракетный двигатель,создающий тягу за счёт разгона в электромагнитном поле рабочего тела (РТ), превращённого в плазму. Э. р. д. состоит из двух основных элементов: источника (генератора) плазмы и ускоряющей системы, которые в большинстве случаев конструктивно совмещены. Обычно плазму получают путём термической ионизации РТ при пропускании его через зону горения электрической дуги (дугового разряда). Содержание ионов в газе быстро возрастает с повышением температуры и понижением давления. В Э. р. д. эти параметры обычно составляют 5—50 тыс. К и 1 кПа — 1 МПа соответственно. Разгон плазмы обеспечивается силой Ампера, возникающей в результате взаимодействия протекающего по плазме электрического тока с магнитным полем. Ток в плазме создаётся либо с помощью введённых в неё электродов, либо индуцируется в ней переменным во времени магнитным полем; в свою очередь, магнитное поле может накладываться на плазму извне (ЭРД с внешним магнитным полем) либо индуцироваться пропускаемым через неё током (ЭРД с собственным магнитным полем). Хотя плазма обладает значительным запасом тепловой энергии, последняя, однако, не вносит заметного вклада в разгон РТ. Иногда к плазменным РД относят дуговые электротермические ракетные двигатели, что необоснованно ввиду малого содержания плазмы в них и отсутствия электромагнитного механизма ускорения.

По режиму работы различают стационарные и импульсные Э. р. д. Основной разновидностью стационарных Э. р. д., которые могут работать непрерывно, являются МГД (т.е. магнитогидродинамические, или магнитогазодинамические)-двигатели, которые по принципу действия обратны МГД-генераторам электрической энергии. В МГД-двигателях разгон плазмы производится обычно в прямоугольном канале, две противоположные стенки которого являются электродами (катодом и анодом), а две другие — электроизоляторами. Между электродами создаётся электрическое поле, под влиянием которого внутри плазмы возбуждается электрический ток. Одновременно внешняя магнитная система, полюса которой находятся со стороны электроизоляторов, создаёт в ускорительном канале магнитное поле, ориентированное перпендикулярно электрическому; поэтому такие РД называют ещё двигателями с взаимно перпендикулярными, или скрещёнными электрическим и магнитным полями. Возникающая в плазме ускоряющая сила направлена вдоль канала согласно известному в электротехнике правилу “левой руки”. Ускорительный канал может иметь постоянное сечение, но чаще он несколько расширяется по длине наподобие реактивного сопла, что позволяет осуществить дополнительно газодинамический разгон РТ. Достижение требуемого ресурса МГД-двигателей является трудной задачей ввиду больших тепловых нагрузок на стенки канала. Последние изготовляются из жаростойких материалов (электродные — преимущественно из вольфрама, электроизоляционные — из керамики) и охлаждаются регенеративным, транспирационным и другими способами. С целью снижения эрозии стенок в качестве РТ используют химически инертный аргон (имеющий к тому же невысокий потенциал ионизации).

Конструктивно прост коаксиальный МГД-двигатель (коаксиальный ускоритель), содержащий концентрически расположенные, разделённые изоляционной проставкой катод и анод, между которыми возбуждается электрический разряд. Ток, протекающий по центральному электроду, создаёт в плазме собственное магнитное поле т.н. азимутальной конфигурации, т.е. круговой направленности в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя (по “правилу буравчика”). Взаимодействие этого магнитного поля с радиально направленным током разряда вызывает появление в плазме осевой электромагнитной ускоряющей силы. Последняя становится существенной лишь при силе тока в системе порядка 3 — 5 кА, ввиду чего коаксиальный МГД-двигатель называют также сильноточным плазменным ускорителем. При сравнительно небольших токах этот РД подобен дуговому электротермическому РД, в котором разгон нагретого РТ осуществляется газодинамическими силами в реактивном сопле. Поскольку в коаксиальном МГД-двигателе наибольшее ускорение плазмы происходит в начальной части канала, в зоне центрального электрода (здесь сила Ампера максимальна), эффективным является т.н. торцевой ЭРД, отличающийся малой длиной; аноду обычно придают форму реактивного сопла. Простота конструкции и компактность коаксиальных МГД-двигателей в значительной степени определяют интерес к ним. Однако рабочие токи большой силы осложняют задачу обеспечения длительного ресурса.

Своеобразны холловские ускорители, в которых ускоряющая электромагнитная сила возникает в результате взаимодействия внешнего магнитного поля с т.н. токами Холла — вторичными токами, возникающими в любой токонесущей среде, помещённой в поперечное (по отношению к первичному току) магнитное поле. Эти токи становятся заметными лишь при снижении давления плазмы до 1 — 0,01 Па. РТ в холловских РД, как правило, являются пары щелочного металла. В образовании реактивной тяги большую роль играют ионы; в то же время из-за низкого давления среды мала степень увлечения нейтральных атомов и молекул. Эти особенности холловских РД сближают их с ионными электростатическими ракетными двигателями,по сравнению с которыми их важным преимуществом является большая плотность тяги. По особенностям конструкции, рабочей зоны и рабочего режима различают холловские ускорители с анодным слоем, линейные и торцевые.

Импульсные Э. р. д. работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких мкс до нескольких мс. Варьируя частоту включений РД и длительность импульсов, можно получать любые потребные значения суммарного импульса тяги. ДУ с такими РД содержат накопитель электрической энергии (обычно конденсаторную батарею большой ёмкости) и блок коммутации или систему возбуждения разряда. В импульсных Э. р. д. могут быть получены большие мгновенные значения тяги при сравнительно небольшой средней мощности электропитания и соответственно небольших общих нагрузках на конструкцию, что облегчает задачу достижения длительного ресурса РД. Выбор РТ практически неограничен: могут использоваться любые газы, металлы, твёрдые и жидкие диэлектрики. Наиболее прост коаксиальный импульсный Э. р. д., содержащий два коаксиально расположенных электрода, разделённых электроизоляционной перегородкой, через отверстия в которой подаётся РТ. При разряде конденсатора между электродами возникает ток и образуется сгусток плазмы, на который действует осевая ускоряющая сила (как в сильноточном торцевом РД), выстреливающая его из рабочей зоны (“плазменная пушка”). РД с плоскими электродами называют линейными, шинными, или рельсовыми (“рельсотронами”). При использовании в качестве РТ продуктов электрической эрозии электродов или изоляционной перегородки (обычно фторопластовая) получается т.н. эрозионный РД. Он является по существу развитием электровзрывного РД. В пинчевом импульсном Э. р. д. используется явление самосжатия (пинчевания) собственным магнитным полем сгустков плазмы, образующихся при разряде тока (силой до сотен кА) в газе внутри специальной камеры с соплом, через которое происходит истечение плазмы. В импульсном РД с бегущей волной последовательные сгустки плазмы, предварительно полученные индукционным (высокочастотным) методом (как в индукционном электротермическом РД), разгоняются внешним бегущим магнитным полем.

Активная разработка Э. р. д. началась с конца 50-х — нач. 60-х гг. в СССР и США, позднее — в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. В 1964 в системе ориентации советских КА “Зонд-2” в течение 70 мин функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели температуру ~ 30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкф, рабочее напряжение составляло ~ 1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 на КА “ЛЭС-6”. В 1961 пинчевый импульсный РД американской фирмы “Рипаблик авиэйшен” (Republic Aviation) развил на стенде тягу 45 мН при удельном импульсе 10—70 км/с. В 1971 в системе коррекции советского ИСЗ “Метеор” работали два торцевых холловских РД, каждый из которых при мощности электропитания ~ 0,5 кВт развивал тягу 18—23 мН и удельный импульс свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений они проработали непрерывно 140 ч.

В настоящее время основное внимание уделяется разработке сильноточных Э. р. д. на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий) с электрической мощностью до 1 МВт, способных длительно работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и удельный импульс 20—30 км/с при кпд 30% и более. В 1975 подобный РД испытан в СССР на ИСЗ “Космос-728” (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил удельный импульс ~ 30 км/с).

В.Н. Хазов.

Схемы электромагнитных РДerd2

а - ускорительный канал МГД-двигателя; б - торцовый коаксиальный МГД-двигатель; в - коаксиальный импульсный РД; г - линейный импульсный РД; д - пинчевый импульсный РД; е - эрозионный импульсный РД.

Е - напряжённость электрического поля; Н, В - напряжённость и индукция магнитного поля; F - ускоряющая электромагнитная сила.

1 - рабочее тело; 2 - электроизоляционная проставка (перегородка); 3 - корпус; 4 - электропитание; 5 - электроды; 6 - сопло; 7 - реактивная плазменная струя (плазменный сгусток); 8 - зона электрической дуги; 9 - конденсаторная батарея; 10 - пружина подачи рабочего тела.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — электрический ракетный двигатель,создающий тягу за счёт ускорения одноимённо заряженных частиц рабочего тела (РТ) в электростатическом поле. По виду ускоряемых частиц различают ионные и коллоидные РД.

В ионных РД тяга создаётся путём разгона положительных ионов, получаемых отщеплением электронов от атомов РТ. Использованию отрицательных ионов для создания тяги препятствует отсутствие простых методов их получения в достаточном числе, а использование электронов неэффективно ввиду их малой массы (которая в 1840 раз меньше, чем у легчайшего водородного иона). Ионный РД состоит из 3 основных элементов: ионизатора РТ, электростатической ускоряющей системы и нейтрализатора. Наиболее освоен метод получения ионов путём контактной (поверхностной) ионизации, происходящей при соприкосновении паров РТ с нагретой металлической поверхностью. Производительность этого процесса определяется соотношением между значениями потенциала ионизации РТ и работы выхода материала ионизатора. Это соотношение определяет выбор в качестве РТ цезия, калия, рубидия (в первую очередь — цезия), а в качестве материала ионизатора — вольфрама. При нагреве ионизатора несколько выше критической температуры, равной примерно 1200—1500 К, достигается степень ионизации свыше 99% при малых затратах энергии и высокая плотность ионов на единицу поверхности ионизатора, в результате чего обеспечивается в рабочих условиях значение плотности ионного тока порядка 200—300 А/м2. Для эффективной работы контактного ионизатора необходимо создать условия, при которых все атомы РТ соприкасались бы с нагретой металлической поверхностью. Из многих исследовавшихся конструкций ионизаторов (в виде наборов тонких — диаметром несколько мкм — проволок, мелких сеток, мелко перфорированных пластин и т.д.) наибольшее распространение получила конструкция в виде единой пористой пластины из спечённого порошка вольфрама. К одной стороне пластины подводится парообразный цезий, а с противоположной стороны, обращённой к ускоряющей системе, происходит собственно ионизация. Типичные пластины спекаются из частиц размером 5—7 мкм, имеют толщину 2—3 мм и сквозные поры 2—3 мкм, число которых достигает 5—10 млн. на 1 см2. Пластины могут работать 5—10 тыс. часов, после чего их проницаемость заметно снижается из-за спекания порошка.

Ускоряющая система ионного РД в простейшем случае представляет собой две системы электродов (одна заряжена положительно, другая — отрицательно) с зазором между ними порядка 5 мм, к которым от высоковольтного источника приложена большая разность потенциалов. Обычно положительным электродом является сам ионизатор, так что ионы ускоряются непосредственно после их образования. Для эффективной работы ускоряющей системы необходим глубокий вакуум (не хуже 1—0,1 мПа), исключающий столкновение ускоряемых ионов с атомами остаточного газа. Необходимо также предотвратить попадание на ускоряющие отрицательные электроды разгоняемых ионов, т.к. это приведёт к их бесполезной потере, снижению потенциала ускоряющего электрода (и в результате — к дополнительному расходованию электроэнергии), к возникновению во внешней межэлектродной цепи вредного электрического тока, вызывающего нагрев конструкции; кроме того, столкновение быстро движущихся ионов с неподвижными электродами вызовет эрозию и разрушение электродов. Указанные нежелательные явления устраняются разделением потока ионов на отдельные пучки, формирование которых производится за счёт того, что выходной поверхности ионизатора придаётся мелкоячеистая структура (размеры ячеек — порядка 0,5—1 см2) с разделительными границами из непроницаемого вольфрама, располагаемыми против ускоряющих электродов. На выходе из ячеек могут предусматриваться фокусирующие электроды (находящиеся под тем же электрическим потенциалом, что и сам ионизатор), вызывающие дополнительное обжатие ионных пучков. Часто для улучшения структуры ионного потока (в основном для повышения плотности и однородности) используют трёхэлектродные ускоряющие системы: через 5—10 мм после ускоряющего электрода устанавливается дополнительно замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. При этом достигается оптимальная скорость ионного пучка, соответствующая минимальной начальной массе ДУ.

При истечении одноимённо заряженных частиц из электрически изолированного и первоначально нейтрального КА на последнем будет происходить накопление заряда противоположного знака, сопровождающееся появлением всё возрастающих электростатических сил притяжения между КА и истекающими частицами, что вскоре приведёт к полному прекращению истечения (эффект “запирания” ионного РД). Во избежание этого с помощью нейтрализатора добиваются, чтобы реактивная струя РД стала электрически нейтральной. Наиболее просто это достигается инжектированием в ионный поток электронов, получаемых термоэмиссионным методом — обычно при нагреве вольфрама до температуры 2000—2500 К (простота получения электронов для электрической нейтрализации реактивной струи — ещё одна причина использования в ионных РД именно положительных ионов). Испускаемые термоэмиттером электроны втягиваются в пучок положительных ионов, и далее реактивная струя представляет собой квазинейтральную плазму. Утечка эмиттированных электронов компенсируется притоком электронов (отщеплённых ранее от РТ при его ионизации) с ионизатора через специальную внешнюю электрическую цепь.

Расход РТ в ионном РД определяется производительностью ионизатора и составляет около 0,01—1 г/с. Точное дозирование столь малых расходов обычными методами невозможно. В ДУ получили распространение испарительные системы подачи, основанные на электроразогреве РТ в баке, с которым непосредственно стыкуется ионизатор РД, до температуры кипения; расход РТ регулируется изменением мощности испарителя. Реализация таких систем облегчается низкими давлениями подачи (обычно не превышающими 1—10 кПа), малыми запасами РТ (не более нескольких десятков кг) и его сравнительно низкой температурой кипения. Точное дозирование очень малых расходов возможно также методом диффузии через полупроницаемые перегородки. Из-за коррозионного воздействия чистого цезия на большинство конструкционных материалов его предпочтительно хранить в составе менее активных соединений, например гидрида цезия, который имеет значительно большую плотность и содержит много цезия, легко выделяющегося при нагреве до 700—800 К.

Ионные РД характеризуются исключительно высокими скоростями реактивной струи, недостижимыми для РД других типов (до 50—100 км/с и более). При этом, однако, в ускоряющей системе необходимо поддерживать высокое ускоряющее напряжение: в созданных РД оно составляет 10—50 кВ. Дальнейшее повышение напряжения ограничено опасностью электрического пробоя в разделяющих электроды изоляционных элементах или непосредственно в рабочем промежутке, что вызвало бы разрушение РД. В сочетании с ограниченной производительностью контактных ионизаторов это лимитирует достижимую плотность тяги ионных РД значением ~ 100 Н/м2 (обычно этот параметр составляет 10—50 Н/м2). Максимальная тяга ионных РД имеет порядок 0,1 Н. С целью достижения большей тяги применяются обычно модульные ДУ, содержащие до 10 и более РД с общими системами энергоснабжения и подачи РТ. Плотность тяги ионных РД значительно увеличивается при использовании ионов таких тяжёлых веществ, как висмут и ртуть (которая предпочтительна, т.к. является жидкой в широком диапазоне температуры). Ионизация веществ с большой молярной массой контактным методом невозможна из-за большого значения их ионизационного потенциала. Для этой цели используется объёмная ударная ионизация (электронная бомбардировка), при которой электроны отщепляются от атомов испаренного РТ в результате соударения с ними высокоскоростных электронов. Последние получаются термоэмиссионным способом и ускоряются в специальной ионизационной камере. Степень ионизации при объёмном методе меньше, чем при контактном (80—95%). В таких РД ионизатор представляет собой газоразрядную камеру, в которой в результате электрического разряда, создаваемого в парах РТ, образуется плазма (поэтому эти РД называют иногда плазменно-ионными). Ионы плазмы поступают далее в ускоряющую систему, а электроны по внешней электрической цепи — в нейтрализатор.

В коллоидных РД рабочее тело разгоняется в виде положительно заряженных микроскопических, размером в доли мкм (“коллоидных”), частиц (капель, пылинок и т.д.), которые по размерам и массе на 4—6 порядков превышают ионы. Основным рабочим элементом источника таких частиц являются капиллярные трубки подачи РТ, на выходе из которых происходит дробление РТ и зарядка полученных частиц. В качестве РТ в экспериментах с коллоидными РД использовались жидкие легкоплавкие металлы (галлий, цезий, висмут) и соединения, а также органические жидкости; наиболее просто организуется рабочий процесс при использовании раствора йодистого калия в глицерине. Считается, что по плотности тяги коллоидные РД могут превзойти ионные на 2—3 порядка, уступая им по удельному импульсу, который составит 10—50 км/с.

К концу 1970-х гг. завершена разработка научно-технических основ проектирования ионных РД и созданы их экспериментальные образцы с ресурсом в тысячи часов. Лётные испытания ионных РД проводились в СССР по программе “Янтарь” в 1966—70 (РД с газоразрядным ионизатором), в США — в 1964 по программе “СЕРТ-1” (полёт по баллистической траектории), в 1965 по программе “Снапшот” и в 1970 по программе (РД с контактными и газоразрядными ионизаторами). Коллоидные РД находятся в стадии лабораторной разработки. В США испытан такой РД мощностью 50 Вт, развивший на стенде тягу 4,45 мН при удельном импульсе 12,2 км/с (при работе на силиконовом масле) и кпд 50% . Предполагаемый ресурс его работы в космосе около 10 000 ч.

В.Н. Хазов.

Схемы электростатических РДerd3

а - ионный РД с поверхностной ионизацией; б - ионный РД с объёмной ударной ионизацией; в - коллоидный РД.

1 - рабочее тело; 2 - ионизатор (ионизационная камера); 3 - ускоряющий электрод; 4 - замедляющий электрод; 5 - нейтрализатор; 6 - источник электронов; 7 - соленоид закрутки электронов (для усиления ионизации рабочего тела); 8 - выходная разделительная сетка; 9 - фокусирующий электрод; 10 - электрод дробления и электрической зарядки частиц рабочего тела; 11 - капиллярная трубка.

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, электронагревный ракетный двигатель — электрический ракетный двигатель,рабочее тело которого нагревается до высокой температуры с помощью электрической дуги, омического нагрева и других методов, а затем полученный газ расширяется в сопле, создавая тягу. По способу нагрева РТ различают омические, электродуговые, индукционные и электровзрывные электротермические РД.

В омических РД (РД электросопротивления) используется конвективный поверхностный нагрев РТ, которое обтекает электрические элементы сопротивления, нагреваемые, в свою очередь, за счёт выделяющейся в них джоулевой теплоты. Нагревательные элементы имеют вид трубок, пластин или стержней, изготовленных из тугоплавких металлов (вольфрам, рений) и сплавов. Омические РД могут работать на любом РТ (включая биоотходы), питаясь практически от любого источника тока (постоянного или переменного). Они просты по устройству, экономичны (кпд достигает 80%), надёжно работают в течение сотен часов, допуская многократное включение и широкое регулирование по тяге. Однако ограниченная жаростойкость твёрдых нагревательных элементов лимитирует нагрев РТ в омических РД 2500—3000 К, что соответствует максимальному удельному импульсу 8500—9000 м/с (при работе на водороде). Омические РД широко разрабатывались в США в 1965—70 и использовались в системах ориентации ИСЗ “АТС”, “ЛЭС” и др. Один из РД фирмы “Авко” (Avco) имел массу 3,2 кг, диаметр 102 мм, длину 280 мм и электрическую мощность 7,5 кВт; две независимые камеры диаметром 32 мм развивали тягу соответственно 0.5 и 0,05 Н. РД фирмы “Марквардт” (Marquardt) при электрической мощности 3 кВт и кпд 79% развивал тягу 0,66 Н и удельный импульс 8400 м/с (РТ — водород).

В электродуговых (дуговых) РД нагрев РТ производится при его прохождении через зону горения электрической дуги, создаваемой между размещаемыми в камере нагрева электродами (часто одним из них является реактивное сопло). Электропитание — от низковольтного сильноточного источника постоянного или переменного тока. РТ может нагреваться до 5000—10 000 К, а удельный импульс РД, работающего на водороде, может достигать 15— 25 км/с. По существу электродуговой РД не отличается от обычного низкотемпературного электродугового плазматрона, но в его РТ содержание плазмы незначительно. При охлаждении РД излучением его кпд сравнительно невелик и не превышает 35—45% (в силу больших потерь теплоты в стенки). Применение регенеративного охлаждения камеры позволяет повысить его до 60—80%. При разработке электродуговых РД основная проблема — это обеспечение работоспособности электродов, поскольку мощное тепловыделение в зоне контакта электрода с дугой приводит к уносу материала электрода в результате эрозии. Для повышения стойкости электродов их интенсивно охлаждают, а для ослабления местного воздействия дуги организуют её вращение (чтобы пятно контакта перемещалось по большей поверхности электрода). Вращение дуги достигается путём внешнего электромагнитного воздействия (снаружи камеры нагрева устанавливается специальная токовая обмотка) или путём гидродинамического воздействия (за счёт направленного потока РТ). В качестве электродного материала обычно применяют вольфрам (иногда с присадками, улучшающими его термоэмиссионные свойства), который обладает высокой стойкостью в водороде вплоть до температуры плавления и способен сохранять работоспособность в течение десятков и даже сотен часов. На КА электродуговые РД не испытывались, т.к. оказались малоэффективными по сравнению с электромагнитными ракетными двигателями.

В индукционных (высокочастотных)РД нагрев РТ производится переменным ВЧ электромагнитным полем, создаваемым индукционной катушкой. При её питании от ВЧ генератора мощностью в несколько кВт в объёме газа образуются сильные вихревые токи, способные разогреть его до 5000—6000 К. При этом отпадает необходимость в электродах, хотя возникает проблема охлаждения конструкционных элементов, подвергающихся воздействию ВЧ поля. Возможность индукционного нагрева газа (в частности, гелия) доказана экспериментами на лабораторных установках. Практическому применению индукционных РД препятствует их малый кпд, большая масса и громоздкость электрогенераторов.

В электровзрывных РД рабочим телом служат твёрдые (в виде проволок диаметром ~ 1 мм) или жидкие (в виде тонких струек) электропроводящие вещества, которые под действием мощных (напряжением 10—20 кВ и силой тока в несколько кА) кратковременных электрических импульсов (создаваемых, например, разрядкой конденсаторных батарей за время ~ 10 нс) разогреваются до десятков и сотен тыс. К: образующиеся пары разлетаются с большой скоростью. При направленном истечении паров через реактивное сопло можно получить мгновенное значение удельного импульса 10—50 км/с. Первый экспериментальный электровзрывной РД был создан в начале 30-х гг. в СССР. Дальнейшее развитие принципа этого РД привело к созданию эрозионных электромагнитных РД.

В.Н. Хазов.

Схемы электротермических РДerd4

а - омический РД; б - электродуговой РД; в - индукционный РД.

1 - сопло; 2 - рабочее тело; 3 - электропитание; 4 - электроизоляционная проставка; 5 - нагревательный элемент (камера нагрева); 6 - тепловой экран; 7 - корпус; 8 - электроды; 9 - зона электрической дуги; 10 - высокочастотный генератор; 11 - индукционная катушка; 12 - магнитные силовые линии; 13 - охладитель.

Энциклопедия "Космонавтика"

под редакцией В.П. Глушко

(Москва,"Советская Энциклопедия", 1985)

Добавить комментарий

Язык моего сайта - русский. Старайтесь не делать грамматических ошибок. Всегда помните что языком сайта является русский, а не его гремучая помесь неизвестно с чем. Афтары, медведы и первонахи недопустимы! Использование транслита при написании сообщений допускается только в крайних случаях. Администратор оставляет за собой право удалять комментарии без объяснения причин.
В комментариях категорически запрещено:
- Оскорблять чужое достоинство
- Сеять и проявлять межнациональную или межрелигиозную рознь
- Обсуждать личности, личные обстоятельства, интеллектуальный, культурный, образовательный и профессиональный уровень
- Употреблять ненормативную лексику.
- Публиковать объявления рекламного характера.
- Публиковать комментарии бессодержательного характера, т.н. "флуд"


Защитный код
Обновить