Электроракетные двигатели. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Электроракетные двигатели

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 температуры ~500 ^oC), 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 10⁵, 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 (~10³-10⁴B) относительно эмиттера. Электрич. ток и пространств. электрич. заряд 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 ионизации рабочего вещества в ИД должна быть как можно выше(>0,9

0,95).

Рис. 2. Схема ионного двигателя с объёмной ионизацией конструкции Г. Кауфмана: 1 - катод газоразрядной камеры; 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; энергия ионизации рабочего вещества должна быть меньше работы выхода материала эмиттера. Обычно выбирается пара цезий (рабочее вещество) - вольфрам (эмиттер). Эмиттер подогревается до температуры 1500 ^oK 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 плазмы 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 · 10⁴ 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 (

2·10⁴Вт/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.

Литература по

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.

А. П. Шубин.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира