Что такое активная и реактивная электроэнергия? Импульсный электрический реактивный двигатель Электрический ракетный.
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.
Электрический ракетный двигатель
(ЭРД)
Ограниченное применение ЭРД связано с необходимостью большого расхода электроэнергии (10-100 квт
на 1 н
тяги). Из-за наличия бортовой энергоустановки (и др. вспомогательных систем), а также из-за малой плотности тяги аппарат с ЭРД имеет малое ускорение. Поэтому ЭРД могут быть использованы только в космических летательных аппаратах (КЛА), совершающих полёт либо в условиях слабых гравитационных полей, либо на околопланетных орбитах. Они применяются для ориентации, коррекции орбит КЛА и др. операций, не требующих больших затрат энергии. Электростатические, плазменные холловские и др. ЭРД рассматриваются как перспективные в качестве основных двигателей КЛА. Из-за малой отбрасываемой массы РТ время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами; их использование вместо существующих химических РД позволит увеличить массу полезного груза КЛА. Идея использования электрической энергии для получения тяги выдвигалась ещё К. Э. Циолковским и другими пионерами космонавтики. В 1916-17 Р. Годдард (США) подтвердил опытами реальность этой идеи. В 1929-33 В. П. Глушко (СССР) создал экспериментальный ЭРД. В 1964 в СССР на КЛА типа «Зонд» испытаны плазменные импульсные РД, в 1966-71 на КЛА «Янтарь» - ионные РД, в 1972 на КЛА «Метеор» - плазменные квазистационарные РД. Различные типы ЭРД испытаны начиная с 1964 в США: в баллистическом, а затем в космическом полёте (на аппаратах АТС, СЕРТ-2 и др.). Работы в этой области ведутся также в Великобритании, Франции, ФРГ, Японии. Лит.:
Корлисс У. Р., Ракетные двигатели для космических полетов, пер. с англ., М., 1962; Штулингер Э., Ионные двигатели для космических полетов, пер. с англ.. М., 1966; Гильзин К. А., Электрические межпланетные корабли, 2 изд., М., 1970; Гуров А. Ф., Севрук Д. Д., Сурнов Д. Н., Конструкция и расчет на прочность космических электроракетных двигателей, М., 1970; Фаворский О. Н., Фишгойт В, В., Янтовский Е. И., Основы теории космических электрореактивных двигательных установок, М., 1970; Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П., Электрические ракетные двигатели, М., 1975. Ю. М. Трушин.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Электрический ракетный двигатель" в других словарях:
Ракетный двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата. Применяется для коррекции траектории и ориентации космических аппаратов.… … Большой Энциклопедический словарь
- (ЭРД) ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель. Комплекс, состоящий из… … Википедия
Ракетный двигатель, в котором для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата. Применяется для коррекции траектории и ориентации космических аппаратов. Электрические ракетные… … Энциклопедический словарь
электрический ракетный двигатель - elektrinis raketinis variklis statusas T sritis Gynyba apibrėžtis Raketinis variklis, kuriame reaktyvinė trauka sudaroma naudojant raketos energijos šaltinio elektros energiją. Pagal veikimo principą skiriamas elektroterminis, elektrostatinis ir… … Artilerijos terminų žodynas
- (ЭРД) ракетный двигатель, в к ром рабочее тело разгоняется до весьма высоких скоростей (недостижимых в химических ракетных двигателях) с помощью электрич. энергии. Для ЭРД характерны высокий уд. импульс и большая относит. масса электросиловой… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Электромагнитный ракетный двигатель, плазменный ракетный двигатель, ЭРД электрический ракетный двигатель, создающий тягу за счёт разгона в электромагнитном поле рабочего тела, превращённого в плазму. Принципы работы ЭРД состоит из двух основных… … Википедия
Российские электростатические (стационарные плазменные) двигатели Электрический ракетный двигатель электростатический электрический ракетный двигатель, ускорение частиц рабочего тела в котором осуществляется в электростатическом поле. Эл … Википедия
ЭРД, работающий в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких милисекунд. Варьируя частоту включений РД и длительность импульсов, можно получать любые потребные значения суммарного импульса тяги. ДУ с… … Википедия
Данный тип электрического ракетного двигателя характеризуется тем, что вначале электрическая энергия используется для нагрева рабочего тела (газа). Затем термическая энергия струи преобразуется в кинетическую энергию струи в сопле. Обычно это… … Википедия
- (РД) Реактивный двигатель, использующий для своей работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на перемещающемся аппарате (летательном, наземном, подводном). Т. о., в отличие от воздушно реактивных двигателей (См.… … Большая советская энциклопедия
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.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.
