Электрический ракетный двигатель

Электрический ракетный двигатель (ЭРД), ракетный двигатель (РД), в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата (обычно солнечные или аккумуляторные батареи). Достоинство ЭРД — в их высоком удельном импульсе (удельной тяге) благодаря большой скорости истечения рабочего тела (РТ), достигающей 10—100 км/сек. По удельному импульсу ЭРД многократно превосходят химические ракетные двигатели, у которых скорость истечения РТ не превышает 4,5 км/сек. По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические, электростатические (ионные, коллоидные) и электромагнитные (плазменные).

  В электротермических РД электрическая энергия используется для нагрева РТ с целью обращения его в газ с температурой 1000—5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В качестве РТ используются вещества с малой молекулярной массой (например, водород, аммиак, гидразин), нагреваемые при помощи поверхностных нагревателей (рис. 1), дугового разряда (рис. 2) или (в экспериментальных ЭРД) высокочастотного электромагнитного поля. Удельный импульс электротермического РД составляет 1,5—10 (кн·сек)/кг, плотность тяги (отношение тяги к поперечному сечению реактивной струи) 0,3—3 Мн/м², время работы от нескольких ч до нескольких сотен ч.

  В электростатическом (ионном) РД вначале производится ионизация РТ, после чего ионы и электроны раздельно ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов), а затем вновь перемешиваются для нейтрализации объёмного заряда и, истекая, создают тягу (рис. 3). Различают электростатические РД с поверхностной ионизацией и объёмной ионизацией (электронным ударом); в качестве РТ в первых используется легко ионизируемый цезий, во вторых — любые вещества с большой атомной массой (например, висмут). Вместо ионов в электростатических РД могут ускоряться заряженные (например, за счёт контактной разности потенциалов при отрыве капли от поверхности электрода) микроскопические капли. Такие ЭРД называются коллоидными. Значение ускоряющего потенциала составляет для них около 10—20 кв (для ионных РД — 2—7 кв) при плотности тока в несколько ма/см². Удельный импульс электростатических РД 15—100 (кн·сек)/кг, плотность тяги 30—50 н/м², время работы — 1 год и более.

  В электромагнитном РД рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещенных электрическом и магнитном полях. Различают ЭРД с внешним и собственным магнитным полем. К первым относятся классические Е-Н ускорители плазмы и т. н. холловские ЭРД с замкнутым дрейфом электронов; во-вторых, магнитное поле создаётся током, протекающим в ускоряемой плазме; они подразделяются на импульсные и квазистационарные ЭРД. Рабочий цикл импульсного ЭРД соответствует периоду электрического пробоя РТ (обычно фторопласта), при котором создаётся плазма; начальный потенциал пробоя — несколько кв, удельный импульс 40—100 (кн·сек)/кг, плотность тяги 10^-9—10^-8 н/м², число циклов ЭРД достигает 1 млн. В квазистационарном ЭРД с целью создания сильного магнитного поля через РТ пропускается ток силой в десятки ка и напряжением в десятки в. Удельный импульс составляет 30—50 (кн·сек)/кг, плотность тяги несколько кн/м², время работы — десятки ч. О типах плазменных ЭРД и методах создания плазмы в них см.(смотри) в ст. Плазменные ускорители.

  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(Федеративная Республика Германии), Японии.

  Лит.: Корлисс У. Р., Ракетные двигатели для космических полетов, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1962; Штулингер Э., Ионные двигатели для космических полетов, пер.(перевод) с англ.(английский). 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.

Рис. 3. Схема электростатического (ионного) двигателя: 1 — подвод рабочего тела; 2 — ионизатор; 3 — пучок ионов; 4 — фокусирующий электрод; 5 — ускоряющий электрод; 6 — замедляющий электрод; 7 — нейтрализатор; 8 — основной источник энергии; 9 — вспомогательный источник энергии.

Рис. 1. Схема электротермического двигателя с поверхностным нагревателем: 1 — подвод рабочего тела; 2 — камера нагрева и сопло (вольфрам); 3 — нагревающий элемент (вольфрамовая проволока): 4 — опора нагревающего элемента. Рис. 2. Схема электротермического двигателя с нагревом при помощи дугового разряда: 1 — подвод рабочего тела; 2 — катод (вольфрам); 3 — анод (вольфрам); 4 — сопло (вольфрам); 5 — резьбовая втулка.