Ракетные двигатели. Электрический реактивный двигатель (ЭРД) Электротермический ракетный двигатель

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.

ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ (электрореактивные двигатели, ЭРД)-космич. реактивные двигатели, в к-рых направленное движение реактивной струи создаётся за счёт электрич. энергии. Электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) включает собственно ЭРД, систему подачи и хранения рабочего вещества и систему, преобразующую электрич. параметры источника электроэнергии к номинальным для ЭРД значениям и управляющую функционированием ЭРД. ЭРД - двигатели малой тяги, действующие в течение длит. времени (годы) на борту космич. летательного аппарата (КЛА) в условиях невесомости либо очень малых гравитац. полей. С помощью ЭРД параметры траектории полёта КЛА и его ориентация в пространстве могут поддерживаться с высокой степенью точности либо изменяться в заданном диапазоне. При эл--магн. либо эл--статич. ускорении скорость истечения реактивной струи в ЭРД значительно выше, чем в жидкостных или твердо-топливных ракетных двигателях; это даёт выигрыш в полезной нагрузке КЛА. Однако ЭРД требуют наличия источника электроэнергии, в то время как в обычных ракетных двигателях носителем энергии являются компоненты топлива (горючее и окислитель). В семейство ЭРД входят плазменные двигатели (ПД), эл--хим. двигатели (ЭХД) и ионные двигатели (ИД).

Электрохимические двигатели . В ЭХД электроэнергия используется для нагрева и хим. разложения рабочего вещества. ЭХД подразделяются на электронагревные (ЭНД), термокаталитические (ТКД) и гибридные (ГД) двигатели. В ЭНД рабочее вещество (водород, аммиак) нагревается электронагревателем и затем истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло (рис. 1). В ТКД электроэнергией нагревается катализатор (до темп-ры ~500 o C), химически разлагающий рабочее вещество (аммиак, гидразин); далее продукты разложения истекают через сопло. В ГД происходит сначала разложение рабочего вещества, потом подогрев продуктов разложения и их истечение. Конструкция ЭХД и используемые конструкц. материалы рассчитаны на включение на борту КЛА в течение 7-10 лет при числе запусков до 10 5 , длительности непрерывной работы ~ 10-100 ч и отклонении тяговых характеристик от номинала не более 5-10%. Уровень потребляемой ЭХД электрич. мощности - десятки Вт, диапазон тяг - 0,01 -10 H. ЭХД имеют очень низкую для ЭРД энергетич. цену тяги ~3 кВт/Н, большую скорость истечения струи (3 км/с) за счёт малого молекулярного веса рабочего вещества и продуктов его разложения. Гидразиновый ГД с тягой 0,44 H успешно работал на спутнике связи "Интел-сат-5"; аммиачный ЭНД с тягой 0,15 H входит в состав штатной ЭРДУ спутников серии "Метеор", к-рая корректирует орбиту и ориентацию спутника.

Рис. 1. Схема электронагревного двигателя: 1 -пористый электронагреватель; 2-тепловой экран; 3 - кожух; 4 - сопло .

Ионные двигатели . В ИД положит. ионы рабочего вещества ускоряются в эл--статич. поле. ИД (рис. 2) состоит из эмиттера ионов 4, ускоряющего электрода 5 с отверстиями (щелями), сквозь к-рые проходят ускоренные ионы, и внеш. электрода 6 (экрана), в роли к-рого обычно используют корпус ИД. Ускоряющий электрод находится под отрицат. потенциалом (~10 3 -10 4 B) относительно эмиттера. Электрич. ток и пространств. электрич. реактивной струи должны быть нулевыми, поэтому выходящий ионный пучок нейтрализуется электронами, к-рые эмитирует нейтрализатор 7. Внеш. электрод находится под потенциалом, отрицательным относительно эмиттера и положительным относительно ускоряющего электрода; положит. смещение потенциала выбирается таким, чтобы сравнительно малоэнергичные электроны из нейтрализатора запирались электрич. полем и не попадали в ускоряющий промежуток между эмиттером и ускоряющим электродом. Энергия ускоренных ионов определяется разностью потенциалов между эмиттером и внеш. электродом. Наличие положит. пространств. заряда в ускоряющем промежутке ограничивает ионный ток из эмиттера. Осн. параметры ИД: скорость истечения, тяговый кпд, энергетич. цена тяги (Вт/Н), энергетич. цена иона (эВ/ион) - кол-во энергии, затрачиваемое на образование иона. Степень рабочего вещества в ИД должна быть как можно выше(>0,90,95).

Рис. 2. Схема ионного двигателя с объёмной ионизацией конструкции Г. Кауфмана: 1 - катод газоразрядной каме ры; 2- анод; 3 -магнитная катушка; 4-эмитирующий электрод; 5 - ускоряющий электрод; 6 - внешний электрод; 7 - нейтрализатор .

В зависимости от типа эмиттера ИД подразделяются на двигатели с поверхностной ионизацией (ИДПИ), коллоидные двигатели (КД) и двигатели с объёмной ионизацией (ИДОИ). В ИДПИ ионизация происходит при пропускании паров рабочего вещества сквозь пористый эмиттер; рабочего вещества должна быть меньше работы выхода материала эмиттера. Обычно выбирается пара цезий (рабочее вещество) - вольфрам (эмиттер). Эмиттер подогревается до темп-ры 1500 o K во избежание конденсации рабочего вещества. В КД (существуют только лаб. прототипы) рабочее вещество (20%-ный раствор йодистого калия в глицерине) распыляется через капилляры в виде положительно заряженных микрокапель в ускоряющий промежуток; электрич. заряд микрокапель возникает в процессе экстракции струек из капилляров в сильном электрич. поле и последующем их распаде на капли. Источником ионов в ИДОИ является газоразрядная камера (ГРК), в к-рой атомы рабочего вещества (паров металлов, инертных газов) ионизуются электронным ударом в газовом разряде низкого давления [разряд между электродами 1 и 2 (рис. 2) либо безэлектродный СВЧ-разряд]; ионы из ГРК вытягиваются в ускоряющий промежуток сквозь отверстия эмитирующего электрода-стенки ГРК, образующего вместе с ускоряющим электродом ионно-оптич. систему (ИОС) для ускорения и фокусировки ионов. Стенки ГРК, кроме эмитирующего электрода, магнитоизолированы от плазмы. ИДОИ - наиб. разработанные с инженерн. и физ. точек зрения ИД, их тяговый кпд ~70%, подтверждённый в наземных испытаниях ресурс работы доведён до 2 · 10 4 ч. Ресурс работы ИД ограничивается эрозией ускоряющего электрода вследствие его катодного распыления вторичными ионами, возникающими в результате перезарядки быстрых ускоренных ионов на медленных нейтральных атомах рабочего вещества. Энергетич. цены тяги и иона в ИД (за исключением КД) весьма значительны (2·10 4 Вт/H, 250 эВ/ион). По этой причине ИД пока не используются в космосе в качестве рабочих ЭРД (ЭХД, ПД), хотя они неоднократно испытывались на борту КЛА. Наиб. значительно испытание по программе SERT-2 (1970, США); в состав ЭРДУ входили две ИДОИ конструкции Г. Кауфмана (рабочее тело - ртуть, потребляемая мощность 860 Вт, кпд 68%, тяга 0,03 H), проработавшие без отказа непрерывно 3800 ч и 2011 ч соответственно и возобновившие функционирование после длит. перерыва.

ПД по схеме плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой зоной ускорения систематически используется на КЛА, в особенности на геостационарных спутниках связи.

Лит.: Гильзин К. А., Электрические межпланетные корабли, 2 изд., M., 1970; Морозов А. И., Шубин А. П., Космические электрореактивные двигатели, M., 1975; Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов H. П., Электрические ракетные двигатели, M., 1975.

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

Отличительной особенностью реактивных электрических двигателей состоит в том, что источник энергии и рабочее вещество разделены, а передача энергии от источника к рабочему веществу осуществляется с помощью электромагнитных взаимодействий. Это позволяет получить высокие скорости истечения рабочего вещества. Это, в свою очередь, делает такой класс двигателей наиболее экономичным при выполнении транспортных работ в космосе. Вниманию посетителей сайта предлагается краткое описание некоторых двигателей этого класса.

Рисунок 22 - Электрический реактивный двигатель

Среди класса электрореактивных двигателей основное внимание уделяется т.н. плазменно-ионному двигателю.

Отличительная его особенность в том, что в нём используется разряд с осциллирующими электронами. Двигаясь в продольном магнитном поле сравнительно небольшой величины, электроны не могут сразу попасть на наружный кольцевой электрод - анод и участвуют в неоднократных ионизирующих столкновениях. Ускорение ионов происходит в продольном электрическом поле, а для компенсации на выходе ускорителя их объёмного заряда используется катод - компенсатор.

Плазменно-ионные двигатели обладают высоким КПД в широком диапазоне удельных импульсов. Они характеризуются, к тому же, низкими значениями плотности тяги. Т.е. удельная масса двигателя выше.

Плазменно-ионные двигатели прошли модельные испытания, однако полномасштабные испытания до сих пор не выполнены.

Для решения задач управления и ориентации космических аппаратов наиболее удобными оказываются импульсные плазменные двигатели. И наиболее перспективные в этом классе электрореактивных двигателей являются эрозионные плазменные двигатели.

В этих двигателях плазменный сгусток создаётся при пропускании большого тока, возникающего при разряде электрического конденсатора вдоль поверхности находящегося между электродами диэлектрика, материал которого испаряется, ионизуется и ускоряется под действием электромагнитных сил или газодинамических сил.

Импульсный плазменный двигатель обладает тем преимуществом, что возможно большое число включений (до 109); малым значением одного импульса (около 100 мкН*с); отсутствием импульса последействия.

Электронагревные реактивные двигатели отличаются тем, что электрическая энергия в них расходуется на нагрев и ускорение рабочего вещества при прохождении его через теплообменник. У двигателей этого типа минимальные энергетические затраты на создание тяги. В результате экспериментальных исследований было установлено, что оптимальным рабочим веществом для них является гидразин (H2N)2.

Рисунок 23 - Электрический реактивный двигатель

Гидразин представляет собой однокомпонентное эндотермическое топливо, поэтому при его химическом разложении на водород и азот в присутствии катализатора выделяется энергия. Это позволило создать целый особый класс электрореактивных двигателей - каталитические двигатели. Существуют и термокаталитические двигатели, в которых более простые катализаторы, выполненные в форме опресованных проволочных спиралей, обладают большим ресурсом.

Наименьшие полученные значения тяги для таких двигателей составляют порядка 10 мН.

Область применения электрореактивных двигателей:

• 1. Управление движением космических кораблей.
• 2. Корректировка орбиты, компенсация торможения аппаратов в верхних слоях атмосферы, перевод с одной орбиты на другую
• 3. Транспортные операции, связанные с осуществлением полётов к Луне и другим планетам Системы

Основные характеристики плазменно-ионных двигателей:

• 1. Электрическая потребляемая мощность - 1 кВт.
• 2. Создаваемая тяга - 27 мН
• 3. Скорость истечения - 42 км/с
• 4. Тяговый КПД - 67%
• 5. Напряжение - 2800 В
• 6. Рабочее вещество - ртуть

План:

Введение

• 1 Введение
• 2 Классификация ЭРД
• 3 Краткие технические характеристики
• 4 История
• 5 Перспективы
Примечания

Введение

Электри́ческий раке́тный дви́гатель (ЭРД) - ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию частиц . Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель .

Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ) .

1. Введение

Идея использовать для ускорения рабочего тела (РТ) в реактивных двигателях электрическую энергию возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916-1917 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 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.

Начиная с середины 60-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 70-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.

В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.

2. Классификация ЭРД

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

• электротермические ракетные двигатели (ЭТД);
• электростатические двигатели (ИД, СПД);
• сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели;
• импульсные двигатели.

Принятая в русскоязычной литературе классификация электроракетных двигателей

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.

3. 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.

ЭРД характеризуются не очень высоким КПД - от 30 до 60 %.

4. История

В 1964 в системе ориентации советских КА «Зонд-2» в течение 70 минут 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» (англ. 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.

5. Перспективы

В настоящее время многими странами исследуются вопросы создания пилотируемых межпланетных кораблей с ЭРДУ. Существующие ЭРД не являются оптимальными для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий, цезий) 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 г. подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил удельный импульс ~ 30 км/с).

Кроме России и США исследованиями и разработкой ЭРД занимаются также в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешны разработки Великобритании и Германии, особенно - совместные); СПД и ДАС (Япония, Франция); ЭТД (Франция). В основном эти двигатели предназначены для ИСЗ.

скачать
Данный реферат составлен на основе