Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель)

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель).

 

 

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

 

Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы

История возникновения электрических ракетных двигателей

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей

 

Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы:

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель, ЭРД) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. В таких двигателях в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического аппарата.

По физике процессов электрический ракетный двигатель отличается от других разновидностей ракетных двигателей – от жидкостных и твердотопливных. Последние два используют химическую энергию.

Как и в обычном химическом ракетном двигателе в ЭРД также присутствует рабочее тело, которым выступает, как правило, газ (аргон, ксенон, аммиак, азот, гидразин и т.п.), иногда – жидкость, смеси жидкости и газа, жидкие металлы, пары металлов и твердые вещества (например, фторопласт), а также их смеси. Рабочее тело также истекает из сопла двигателя и создает тягу. В отличие от химического ракетного двигателя скорость истечения потока рабочего тела в ЭРД имеет высокое значение и составляет от 3 км/с и более. При этом верхняя граница скорости истечения частиц газа или другого рабочего тела неограниченна и по предварительным оценкам составляет порядка 210 км/с. Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. В настоящее время для электрических ракетных двигателей различных типов характерны следующие скорости истечения рабочего тела – от 10 до 60 км/с, электрическая мощность – от 0,8 до 7 КВт. КПД таких двигателей составляет порядка от 30 до 60%. Сам газ – рабочее тело (если в качестве рабочего тела используется газ) хранится в жидком виде.

В отличии от химическим двигателей электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютон. Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.

Для ЭРД характерны малые размеры – порядка 0,1 м и более, а также масса порядка нескольких кг.

 

История возникновения электрических ракетных двигателей:

Впервые идею использования электрической энергии высказывал К.Э. Циолковский в 1912 г. еще в начале развития ракетной техники. В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Вестник воздухоплавания, №9, 1912 г.) он писал: «… с помощью электричества можно будет придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам…».

В 1916-1917 гг. Р. Годдард экспериментально подтвердил реальность осуществления этой идеи.

В 1929-1933 гг. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих электрических ракетных двигателей. Впоследствии на некоторое время работы по разработке ЭРД были прекращены.

Они возобновились только в конце 1950-х – начале 1960-х гг. и уже к началу 1980-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций электрических ракетных двигателей в составе космических аппаратов и высотных атмосферных зондов.

В настоящее время ЭРД широко используются в космических аппаратах: как в спутниках, так и в межпланетных космических аппаратах.

 

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей:

По принципу действия ЭРД подразделяются на три большие группы:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели,

каждая из которых объединяет в себя несколько видов.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

В электротермическом ракетном двигателе электрическая энергия служит для нагрева рабочего тела – газа до температуры 1000-5000 К. Газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического ракетного двигателя), создаёт тягу. В таком двигателе термическая энергия струи газа преобразуется в кинетическую энергию струи в сопле двигателя. Обычно используется сопло Лаваля, позволяющее ускорить газ до сверхзвуковых скоростей.

Электротермические ракетные двигатели подразделяются на следующие виды: омические, электродуговые, индукционные и электровзрывные.

В электростатическом ракетном двигателе ускорение одноимённо заряженных частиц рабочего тела – газа, паров металла, жидкости или твердого вещества осуществляется в электростатическом поле, которые истекая из сопла, создают тягу.

По виду ускоряемых частиц различают ионные и коллоидные ракетные двигатели.

В ионном двигателе заряженными частицами выступают положительно заряженные ионы. В коллоидном двигателе – положительно заряженные микроскопические (размером в доли микрометров) «коллоидные» частицы (капли, пылинки и т.д.), которые по размерам и массе на 4-6 порядков превышают ионы. Рабочим телом в коллоидных двигателях выступают жидкие легкоплавкие металлы (галлий, цезий, висмут и пр.) и их соединения.

В электромагнитном ракетном двигателе (также именуемый плазменный ракетный двигатель) тяга создается за счёт разгона в электромагнитном поле под действием силы Ампера рабочего тела – газа, жидкости, жидкого металла или твердого вещества (например, фторопласта), превращённого в плазму. Сила Ампера возникает в результате взаимодействия протекающего по плазме электрического тока с магнитным полем. Плазма в двигателе обычно формируется путём термической ионизации рабочего тела при пропускании его через зону горения электрической дуги (дугового разряда). Содержание ионов в газе быстро возрастает с повышением температуры и понижением давления.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

 

© Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

электроракетный двигатель принцип работы петухов для самолета
устройство электроракетного двигателя
международная конференция по электроракетным двигателям
космические ядерные энергоустановки и электроракетные двигатели
электрические ракетные двигатели космических аппаратов эрд
электрический ракетный двигатель принцип работы своими руками