Електричний ракетний двигун
Електричний ракетний двигун(ЕРД) - ракетний двигун, принцип роботи якого заснований на перетворенні електричної енергії в спрямовану кінетичну енергію частинок [1] . Також зустрічаються назви, що включають словареактивнийтадвигун.
Комплекс, що складається з набору ЕРД, системи зберігання та подачі робочого тіла (СХіП), системи автоматичного управління (САУ), системи електроживлення (СЕП), називається електроракетною руховою установкою (ЕРДУ).
Зміст
[ред.] Еволюція ЕРД
У історії електричний ракетний двигун поступово збільшував потужність, пройшовши шлях від іонного двигуна через холлівський двигун до МПД двигуну. Тяга збільшилася з 20-250мН до 2,5-25 Н, споживана потужність з 1-7 кВт до 100-500 кВт, а застосування від головного тягового двигуна невеликої автоматичної космічної станції до головного тягового двигуна для важких вантажних та пілотованих космічних кораблів.
[ред.] Порівняння з хімічними ракетами
Відмінність між електричними і хімічними двигунами показано малюнку № 2. Електричні двигуни мають малу тягу проти хімічними ракетами. Однак хімічні двигуни витрачають величезну кількість палива і тому працюють лише короткий час. Електричні ракетні двигуни можуть працювати дуже довго і за великий час здатні розігнати космічний апарат до пристойних швидкостей. Тому електричні ракетні двигуни найкраще підходять на повільні подорожі на великі відстані, а хімічні ракетні двигуни на швидкі перельоти на короткі відстані.
Іншими словами електричні ракетні двигуни мають більш високу Δv - збільшення швидкості за ту ж кількістьпалива. Тому хоча хімічні ракети мають велику тягу, але це перевага досягається з допомогою величезного витрати палива. Причина пов'язана з тим, що швидкість витікання палива у електричних ракетних двигунів набагато вища порівняно з хімічними ракетами. А швидкість закінчення палива в свою чергу визначає його питому ефективність - енергію на одиницю маси.
Загалом хімічний ракетний двигун можна порівняти зі спринтером, що пробігає 100 метрів зі швидкістю 10 м/с, а електричний ракетний двигун - з марафонцем, що пробігає 40 кілометрів зі швидкістю, скажімо, 1 м/с. Щоправда, тут є один нюанс. У космосі немає сили тертя та гравітації, тому будь-який рух є рівноприскореним. Якщо людина першу секунду бігла зі швидкістю 1 м/с, то в другу секунду її швидкість вже становитиме 2 м/с. за тих же зусиль бігуна.
Варто зазначити, що електричний ракетний двигун можна застосовувати тільки в космосі, оскільки його одномоментна сила тяги набагато слабша за гравітацію Землі. Для стартів поки що немає альтернативи хімічному ракетному двигуну з його здатністю розвинути потужну тягу за лічені секунди.
[ред.] Вступ
Ідея використати для прискорення робочого тіла (РТ) у реактивних двигунах електричну енергію виникла практично на початку розвитку ракетної техніки. Відомо, що таку ідею висловлював К. Е. Ціолковський. У 1916-1917 роках Р. Годдард провів перші експерименти, а в 30-х роках XX століття в СРСР під керівництвом В. П. Глушко був створений один із перших діючих ЕРД.
З самого початку передбачалося, що рознесення джерела енергії та прискорюваної речовини дозволить забезпечити високу швидкість закінчення РТ, а також меншу масу космічного апарату (КА) за рахунок зниження маси зберігаєтьсяробочого тіла. Дійсно, у порівнянні з іншими ракетними двигунами ЕРД дозволяють значно збільшити термін активного існування (САС) КА, істотно при цьому знизивши масу рухової установки (ДК), що, відповідно, дозволяє збільшити корисне навантаження або поліпшити масо-габаритні характеристики самого КА.
Розрахунки показують, що використання ЕРД дозволить скоротити тривалість польоту до далеких планет (у деяких випадках навіть зробити такі польоти можливими) або, за тієї ж тривалості польоту, збільшити корисне навантаження.
Починаючи з середини 60-х років у СРСР та США почалися натурні випробування ЕРД, а на початку 70-х ЕРД почали використовувати як штатні ДУ.
В даний час ЕРД широко використовуються як в ДК супутників Землі, так і в ДК міжпланетних КА.
[ред.] Класифікація ЕРД
Класифікація ЕРД не встоялася, проте в українськомовній літературі зазвичай прийнято класифікувати ЕРД за переважним механізмом прискорення частинок. Розрізняють такі типи двигунів:
ЕТД, своєю чергою, діляться на електронагрівні (ЕНД) і електродугові (ЕДД) двигуни.
Електростатичні діляться на іонні (у тому числі колоїдні) двигуни (ІД, КД) - прискорювачі частинок в уніполярному пучку, та прискорювачі частинок у квазінейтральній плазмі. До останніх відносяться прискорювачі із замкнутим дрейфом електронів та протяжною (УЗДП) або укороченою (УЗДУ) зоною прискорення. Перші прийнято називати стаціонарними плазмовими двигунами (СПД), а також зустрічається (все рідше) найменування - лінійний холлівський двигун (ЛХД), у західній літературі називається холлівським двигуном. УЗДУ зазвичай називають двигунами з прискоренням в анодному шарі (ДАС).
До сильноточних (магнітоплазмових, магнітодинамічних) відносятьдвигуни із власним магнітним полем та двигуни із зовнішнім магнітним полем (наприклад, торцевий холлівський двигун — ТХД).
Імпульсні двигуни використовують кінетичну енергію газів, що з'являються при випаровуванні твердого тіла в електричному розряді.
Як робоче тіло в ЕРД можуть застосовуватися будь-які рідини і гази, а також їх суміші. Тим не менш, для кожного типу двигунів існують робочі тіла, застосування яких дозволяє досягти найкращих результатів. Для ЕТД зазвичай використовується аміак, для електростатичних — ксенон, для сильноточних — літій, для імпульсних — фторопласт.
Недоліком ксенону є його вартість, обумовлена невеликим річним виробництвом (менше 10 тонн на рік у всьому світі), що змушує дослідників шукати інші РТ, схожі за характеристиками, але менш дорогі. Як основний кандидат на заміну розглядається аргон. Він також є інертним газом, але, на відміну від ксенону, має велику енергію іонізації при меншій атомній масі. Енергія, витрачена на іонізацію на одиницю прискореної маси, одна із джерел втрат ККД.
[ред.] Короткі технічні характеристики
ЕРД характеризуються малою масовою витратою РТ і високою швидкістю закінчення прискореного потоку частинок. Нижня межа швидкості закінчення приблизно збігається з верхньою межею швидкості струменя хімічного двигуна і становить близько 3 000 м/с. Верхня межа теоретично необмежена (у межах швидкості світла), проте для перспективних моделей двигунів розглядається швидкість, що не перевищує 200 000 м/с. В даний час для двигунів різних типів оптимальною вважається швидкість закінчення від 16000 до 60000 м/с.
У зв'язку з тим, що процес прискорення в ЕРД проходить за низькоготиск у прискорювальному каналі (концентрація частинок не перевищує 10 20 частинок/м³), щільність тяги досить мала, що обмежує застосування ЕРД: зовнішній тиск не повинен перевищувати тиск у прискорювальному каналі, а прискорення КА дуже мало (десяті або навіть сотіg). Винятком із цього правила можуть бути ЕДД на малих КА.
Електрична потужність ЕРД коливається від сотень ват до мегават. Застосовувані нині на КА ЕРД мають потужність від 800 до 2000 Вт.
ЕРД характеризуються не дуже високим ККД - від 30 до 60%.
[ред.] Історія
У 1964 у системі орієнтації радянських КА «Зонд-2» протягом 70 хвилин функціонували 6 ерозійних імпульсних РД, які працювали на фторопласті; отримувані плазмові згустки мали температуру
30 000 К і спливали зі швидкістю до 16 км/с (конденсаторна батарея мала ємність 100 мкф, робоча напруга становила
1 кВ). У США подібні випробування проводилися 1968 року на КА «ЛЕС-6». У 1961 пінчевий імпульсний РД американської фірми «Ріпаблік авіейшен» (Republic Aviation) розвинув на стенді тягу 45 мН при швидкості закінчення 10—70 км/с.
У другій серії експериментів використали азот. Швидкість закінчення було доведено до 120 км/сек. У 1966—1971 запущено чотири подібні апарати (за іншими даними до 70 років і шість апаратів).
У 1971 у системі корекції радянського метеорологічного супутника «Метеор» працювали два стаціонарні плазмові двигуни розробки Інституту атомної енергії ім. І. В. Курчатова та ОКБ Факел, кожен з яких при потужності електроживлення
0,4 кВт розвивав тягу 18-23 мн і швидкість закінчення понад 8 км/с. РД мали розмір 108×114×190 мм, масу 32,5 кг та запас РТ (стиснений ксенон) 2,4 кг. Під час одного із включень один із двигунівпропрацював безперервно 140 год. Ця електрореактивна рухова установка зображена малюнку.
Також електроракетні двигуни використовуються у місії Dawn. Планується використання у проекті BepiColombo.
[ред.] Перспективи
Хоча електроракетні двигуни мають малу тягу в порівнянні з рідкопаливними ракетами, вони здатні працювати тривалий час і здійснювати повільні польоти на великі відстані (наприклад, до зовнішніх планет Сонячної системи) [2] . Якщо ж говорити про міжзоряний політ, тоелектроракетний двигун з ядерним реактором має невелике прискорення, тому знадобляться століття для досягнення потрібної швидкості, що дозволяє використовувати його тільки в кораблях поколінь [3] [4] .
Нині багатьма країнами досліджуються питання створення пілотованих міжпланетних кораблів з ЕРДУ. Існуючі ЕРД не є оптимальними для використання як маршові двигуни для таких кораблів, у зв'язку з чим у найближчому майбутньому слід очікувати відновлення інтересу до розробки сильноточних ЕРД на рідкометалевому РТ (вісмут, літій, калій, цезій) з електричною потужністю до 1 МВт, здатних довго працювати при струмах силою до 5-10 кА. Ці РД повинні розвивати потяг до 20-30 Н і швидкість закінчення 20-30 км/с при ККД 30% і більше. У 1975 р. подібний РД випробуваний у СРСР на ШСЗ «Космос-728» (РД електричною потужністю 3 кВт, що працює на калії, розвинув швидкість закінчення
Крім Укаїни та США дослідженнями та розробкою ЕРД займаються також у Великій Британії, ФРН, Франції, Японії, Італії. Основні напрямки діяльності цих країн: ВД (найбільш успішні розробки Великобританії та Німеччини, особливо спільні); СПД та ДАС (Японія, Франція); ЕТД (Франція). В основному ці двигуни призначені для ШСЗ.