Электрореактивный двигатель принцип работы

Электрореактивный двигатель принцип работы

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.

Классификация ЭРД

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

ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.

Электростатические делятся на ионные (в т.ч. 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 отличии 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/м 3 ), 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.

Читайте также:  Вентиляционные трубы из оцинкованной стали размеры

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

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.

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 подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил удельный импульс

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.

Альтернативные системы

Space copter engine

Также проводятся частные разработки, такие как проект Space copter engine, в котором рассматривается возможность создания подъемной силы, за счет вращающегося вокруг своей оси кольца с линейной скоростью обода равной первой космической скорости. —Rosankevich 10:17, 3 апреля 2009 (UTC)

Владельцы патента RU 2348832:

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к маршевым и управляющим электрореактивным двигательным установкам космических аппаратов. Электрореактивный двигатель содержит катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолировано с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла. Двигатель дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, тепловоспринимающий элемент которой установлен электроизолировано с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода, а теплопередающий элемент размещен на наружной поверхности катода. Тепловая труба обеспечивает перенос части тепловой энергии, выделяющейся на аноде, к катоду. Это приводит к уменьшению температуры электродов, за счет чего увеличивается адсорбция частиц рабочего тела на рабочей поверхности катода, уменьшается работа выхода катода, увеличивается ток термоэмиссии. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия и ресурс сильноточного двигателя. 1 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в маршевых и управляющих электрореактивных двигательных установках космических аппаратов (КА).

Важнейшим направлением совершенствования электрореактивных двигателей (ЭРД) космических аппаратов является повышение их экономичности, которая количественно оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). Повышение КПД позволяет расширить круг задач, решаемых с использованием ЭРД, повысить срок активного существования КА, снизить стоимость реализации космических программ.

Известен электрореактивный двигатель непрерывного действия без внешнего магнитного поля (О.Н.Фаворский, В.В.Фишгойт, Е.И.Янтовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа. 1970, рис.3.48, с.191).

Ускоритель представляет собой устройство, состоящее из двух концентрических электродов — анода и катода, разделенных электроизолирующей стенкой, через которую подается рабочее тело, в качестве которого используются, например, пары щелочного металла. Электроды соединены с полюсами источника электроэнергии. Возникающая в результате разряда между электродами плазма разгоняется в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнитное поле создается током, текущим по центральному электроду и плазме, и имеет азимутальное направление.

Недостаток коаксиального двигателя без внешнего магнитного поля состоит в том, что для получения приемлемых тяг требуются весьма значительные токи. Так при тяге около 1 Н потребная сила тока составляет около 2500 А. При таких токах охлаждение электродов и обеспечение достаточного ресурса двигателя становится затруднительным.

Читайте также:  Минимальное сечение заземляющего проводника до 1000 в

Известен торцевой электрореактивный двигатель (А.А.Куландин, С.В.Тимашев, В.П.Иванов. Энергетические системы космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1972, рис.14.3, с.356-357). Двигатель содержит центрально расположенный катод и сопло-анод, разделенные электрическим изолятором и соединенные с полюсами источника электроэнергии. Рабочим телом двигателя служат пары щелочных металлов, поступающие в зону ускорения через полостную структуру катода. В устройстве осевые и радиальные составляющие тока в плазме взаимодействуют с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевыми составляющими тока. Плазма образуется в объемном разряде между центрально расположенным катодом и соплом-анодом. Недостатком двигателя является значительная величина силы тока, достигающая десятков килоампер для получения удельного импульса (4. 10)·10 4 м/с. Это затрудняет охлаждение электродов и сокращает ресурс двигателя.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является ЭРД сильноточной схемы, содержащий многополостной катод, разгонную камеру-сопло, одновременно являющуюся анодом, и кольцевой изолятор (С.В. Тимашев, Ю.Н.Лебедев, Л.А.Сырцов и др. Основы теории, конструкции и эксплуатации энергетических и двигательных установок космических аппаратов с неядерными источниками энергии. С-Пб.: изд. ВИККИ им. А.Ф.Можайского, 1992, стр.462, рис.21.6). Рабочим телом двигателя служат пары щелочных металлов, поступающие в зону ускорения через полостную структуру катода. Разгон рабочего тела осуществляется за счет взаимодействия радиальной компоненты разрядного тока с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевой компонентой тока. Такие ЭРД способны развивать тягу до 1. 10 Н и имеют удельный импульс до (20. 30)·10 3 м/с при мощности источника питания порядка 0,5 МВт (ток разряда до 10000 А, напряжение до 50 В).

Существенными недостатками сильноточных ЭРД являются низкий КПД (˜50%) и ограниченный ресурс работы ( Изобретение относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения движения космических аппаратов в условиях глубокого вакуума.

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.

Читайте также:  Поменять пружины в диване на дому цена

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

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. 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(>0,90,95).

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 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 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 · 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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector