Электрический ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на использовании, для создания тяги электрической энергии, получаемой от энергоустановки, находящейся на борту космического аппарата. Основная сфера применения — небольшая коррекция траектории, а также ориентация в пространстве космических аппаратов. Комплекс, состоящий из электрического ракетного двигателя, системы подачи и хранения рабочего тела, системы автоматического управления и системы электропитания, называется электроракетной двигательной установкой.
Упоминание о возможности использования в ракетных двигателях электрической энергии для создания тяги встречается в трудах К. Э. Циолковского. В 1916—1917 гг. были проведены первые эксперименты Р. Годдардом, и уже в 30-х гг. XX в. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых электрических ракетных двигателей.
В сравнении с другими ракетными двигателями электрические позволяют увеличить срок существования космического аппарата, и при этом значительно снижается масса двигательной установки, что позволяет увеличить полезную нагрузку, получить наиболее полные массогабаритные характеристики. Используя электрические ракетные двигатели, можно сократить длительность полета к дальним планетам, а также сделать полет к какой-либо планете возможным.
В середине 60-х гг. XX в. активно велись испытания электрических ракетных двигателей на территории СССР и США, а уже в 1970-х гг. они использовались как штатные двигательные установки.
В России классификация идет по механизму ускорения частиц. Можно выделить следующие типы двигателей: электротермические (электронагревные, электродуговые), электростатические (ионные, в том числе коллоидные, стационарные плазменные двигатели с ускорением в анодном слое), сильно-точные (элекромагнитные, магнитодинамические) и импульсные двигатели.
В качестве рабочего тела возможно применение любых жидкостей и газов, а также их смеси. Для каждого типа электродвигателя необходимо применять соответствующие рабочие тела для достижения наилучших результатов. Для электротермических традиционно применяется аммиак, в работе электростатических двигателей используется ксенон, в сильноточных — литий, а для импульсных наиболее эффективным рабочим телом является фторопласт.
Одним из главных источников потерь является энергия, затрачиваемая на ионизацию на единицу ускоренной массы. Преимуществом электрических ракетных двигателей является малый массовый расход рабочего тела, а также высокая скорость истечения ускоренного потока частиц. Верхняя граница скорости истечения теоретически находится в пределах скорости света.
В настоящее время для различных типов двигателей скорость истечения колеблется в пределах от 16 до 60 км/с, хотя перспективные модели смогут дать скорость истечения потока частиц до 200 км/с.Недостатком является очень малая плотность тяги, также необходимо отметить: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале. Электрическая мощность современных электрических ракетных двигателей, применяемых на космических аппаратах, колеблется от 800 до 2000 Вт, хотя теоретическая мощность может достигать мегаватт. КПД электрических ракетных двигателей невысок и варьируется от 30 до 60%.
В ближайшее десятилетие этот тип двигателей в основном будет выполнять задачи по коррекции орбиты космических аппаратов, находящихся как на геостационарных, так и на низких околоземных орбитах, а также для доставки космических аппаратов с опорной околоземной орбиты на более высокие, например геостационарную.
Замена жидкостного ракетного двигателя, выполняющего функцию корректора орбиты, на электрический позволит снизить массу типового спутника на 15%, а если увеличить срок его активного пребывания на орбите, то на 40%.
Одним из наиболее перспективных направлений развития электрических ракетных двигателей является их совершенствование в направлении увеличения мощности до сотен мегаватт и удельного импульса тяги, а также необходимо добиться стабильной и надежной работы двигателя на более дешевых веществах, таких как аргон, литий, азот.
enciklopediya-tehniki.ru
Изобретение относится к области создания электрических ракетных двигателей. Предлагается устройство электрического ракетного двигателя, которое так же, как известный тип двигателя с однородным стационарным плазменным разрядом (стационарные плазменные двигатели - СПД), содержит сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС. В отличие от СПД предлагаемый двигатель использует неоднородный газоплазменный поток рабочего тела. Для создания плазменных неоднородностей в форме плазменных колец двигатель содержит импульсный высокочастотный источник напряжения, подключенный к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя. Поддержание разряда в плазменных кольцах, индуктивно связанных с катушкой возбуждения магнитного поля, осуществляется источником переменной ЭДС, подключенного к катушке. Для размыкания тока в плазменных кольцах в момент их выхода из канала магнитодинамического ускорителя на входе в диффузор двигателя установлены радиальные диэлектрические ребра. Изобретение позволяет увеличить тягу и длительность работы двигателя. 1 ил.
Изобретение относится к области создания электрических ракетных двигателей.
Известен способ [I], повышающий тягу электрического ракетного двигателя, который предлагает заменить стационарный однородный плазменный разряд неоднородным газоплазменным потоком. Плазменные сгустки (Т-слои) устойчивы к развитию перегревной неустойчивости, что позволяет многократно повысить плотность рабочего тела, проходящего через канал двигателя, и таким образом пропорционально увеличить тягу. Устройство, реализующее этот способ, состоит из газодинамического сопла, канала магнитогидродинамического ускорителя прямоугольного сечения с электродными стенками, магнитной системы, создающей магнитное поле в канале ускорителя, поперечное к потоку рабочего тела, системы импульсного электродного сильноточного разряда, формирующей в потоке Т-слои, источника постоянной ЭДС, подключенной к электродам канала ускорителя. Устройство должно обеспечивать ускорение потока за счет электродинамической силы, действующей в объеме Т-слоев, которые в свою очередь действуют на газовый поток как ускоряющие плазменные поршни. Численное моделирование рабочего режима в канале данного устройства показало, что может достигаться скорость истечения до 50000 м/с при уровне тяги до 1000 Н.Недостатком устройства, реализующего известный способ, является использование электродов как в цепи источника, формирующего Т-слои, так и в цепи источника, обеспечивающего режим ускорения в МГД-канале. Режим протекания тока в Т-слоях является дуговым. Неизбежная дуговая эрозия электродов существенно сокращает ресурс работы двигателя (из опыта работы плазмотронов следует ожидать, что электроды обеспечат не более 100 часов непрерывной работы). Для космических аппаратов многократного использования ресурс двигателя должен быть не меньше года непрерывной работы.Известен электрический ракетный двигатель [2] (стационарный плазменный двигатель - СПД), который используют для ускорения плазменного потока за счет электродинамического воздействия на электропроводную среду. Это устройство состоит из сверхзвуковых сопел, канала магнитогидродинамического (МГД) ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушки возбуждения магнитного поля, подключенной к источнику постоянной ЭДС, системы электропитания стационарного разряда в плазме. Устройство работает по следующей схеме. По газодинамическому соплу подается газообразное рабочее тело, которое при входе в канал МГД-ускорителя попадает в область стационарного плазменного разряда, поддерживаемого системой электропитания, ионизуется и переходит в плазменное состояние. Ток в разряде протекает вдоль канала, при этом анод системы электропитания является газодинамическим соплом, а катод находится на выходе из канала. Устойчивый режим ускорения реализуется только при очень низкой плотности плазмы, при которой параметр Холла может достигать значений порядка 100. В этих условиях небольшой разрядный ток вдоль канала генерирует значительный азимутальный ток, замкнутый сам на себя. Взаимодействие азимутального тока с радиальным магнитным полем, созданном катушкой возбуждения между коаксиальными полюсами магнитопровода, порождает в объеме плазмы ускоряющую электродинамическую силу. Замкнутость основного тока без использования для этого электродов позволяет сделать ресурс работы двигателя практически неограниченным.Недостатком известного устройства является низкая плотность рабочего тела, что необходимо для обеспечения устойчивой работы двигателя. Соответственно тяга такого двигателя не превышает 0,1 Н.В основу изобретения положена задача создания электрического ракетного двигателя большой тяги при длительности непрерывной работы порядка года.Поставленная задача достигается тем, что электрический ракетный двигатель, содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС, согласно данному изобретению снабжен импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС.Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено поперечное сечение устройства.Электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла 1, канал 2 магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода 3, катушку 4 возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику 5 переменной ЭДС, импульсный высокочастотный источник напряжения 6, подключенный к дополнительной катушке 7, установленной на входе в канал 2 ускорителя. Двигатель также содержит диффузор 8 с радиальными диэлектрическими ребрами 9.Электрический ракетный двигатель работает следующим образом.Нагретый газ (например, водород), температура которого определяется условиями бортового источника тепла, а давление - требованиями по тяге двигателя, задающими расход рабочего тела, разгоняют в сверхзвуковых соплах 1. Систему импульсного высокочастотного разряда 6 периодически включают с заданной временной скважностью, и каждое включение формирует в газовом потоке плазменный сгусток на входе канала 2 МГД ускорителя. Внешним источником переменной ЭДС создается переменный ток в катушке возбуждения 4, что порождает переменное во времени радиальное магнитное поле между полюсами коаксиального магнитопровода 3. Это генерирует вихревое электрическое поле азимутального направления. Под воздействием азимутального электрического и радиального магнитного полей из плазменных сгустков формируются самоподдерживающиеся азимутальные плазменные токовые витки (Т-слои), которые в свою очередь действуют на газовый поток как ускоряющие поршни. После канала МГД-ускорителя ускоренный поток попадает в расширяющийся канал-диффузор 8, в котором установлены радиальные диэлектрические ребра 9. Ребра обтекаются газовым потоком, но на них разрываются электрические цепи Т-слоев, что позволяет прервать электродинамическую стадию ускорения потока. В диффузоре 8, являющемся продолжением канала МГД-ускорителя, осуществляется дальнейшее ускорение газового потока за счет тепловой энергии, перешедшей из Т-слоев в поток.Было выполнено численное моделирование процесса ускорения потока водорода, содержащего Т-слои, в условиях режима, реализующего описанный способ. Показано, что предлагаемое устройство может быть реализовано со следующими параметрами, соответствующими задаче создания эффективного электрического ракетного двигателя (ЭРД):- КПД процесса трансформации электроэнергии в кинетическую энергию рабочего тела 95%;- средняя скорость потока на выходе из двигателя 40 км/с;- длина канала МГД-ускорителя 0,3 м;- средний диаметр канала МГД-ускорителя 11 см;- высота канала (расстояние между полюсами) 1 см- массовый расход рабочего тела 12 г/с;- температура водорода на входе в ЭРД 1000 К;- давление водорода на входе в ЭРД 104 Па;- среднее значение ЭДС источника питания ЭРД 5 кВ;- среднее значение тока в обмотке возбуждения 2 кА;- потребляемая электрическая мощность 10 МВт;- тяга двигателя 500 НПредлагаемый электрический ракетный двигатель найдет применение при создании космической транспортной системы, предназначаемой для транспортировки грузов с околоземных орбит на геостационарные, лунные и далее к планетам солнечной системы.Источники информации1. B.C. Славин, В.В. Данилов, М.В. Краев. Способ ускорения потока рабочего тела в канале ракетного двигателя, патент РФ № 2162958, F 02 K 11/00, F 03 H 1/00, 2001.2. С.Д. Гришин, Л.В. Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 163.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
| пригоден для полетов к внешним планетам Солнечной системы[1] |
Электри́ческий раке́тный дви́гатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц[2]. Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.
Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).
Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях 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 рабочего тела (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 1960-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 1970-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 не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:
Принятая в русскоязычной литературе классификация электроракетных двигателей
ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.
Электростатические делятся на ионные (в том числе 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 отличие от ксенона имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе. Энергия, затраченная на ионизацию на единицу ускоренной массы, является одним из источников потерь
readtiger.com
