Электрический ракетный двигатель сильноточный

Электрический ракетный двигатель сильноточный

Электромагнитный ракетный двигатель, плазменный ракетный двигатель, ЭРД — электрический ракетный двигатель, создающий тягу за счёт разгона в электромагнитном поле рабочего тела, превращённого в плазму.

Принципы работы

ЭРД состоит из двух основных элементов: источника (генератора) плазмы и ускоряющей системы, которые в большинстве случаев конструктивно совмещены. Обычно плазму получают 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.

В ЭРД эти параметры обычно составляют 5—50 тыс. К и 1 кПа — 1 МПа соответственно. Разгон плазмы обеспечивается силой Ампера, возникающей в результате взаимодействия протекающего по плазме электрического тока с магнитным полем. Ток в плазме создаётся либо с помощью введённых в неё электродов, либо индуцируется в ней переменным во времени магнитным полем; в свою очередь, магнитное поле может накладываться на плазму извне (ЭРД с внешним магнитным полем) либо индуцироваться пропускаемым через неё током (ЭРД с собственным магнитным полем). Хотя плазма обладает значительным запасом тепловой энергии, последняя, однако, не вносит заметного вклада в разгон РТ. Иногда к плазменным РД относят дуговые электротермические ракетные двигатели, что необоснованно ввиду малого содержания плазмы в них и отсутствия электромагнитного механизма ускорения.

По режиму работы различают стационарные и импульсные ЭРД. Основной разновидностью стационарных ЭРД, которые могут работать непрерывно, являются МГД (то есть магнитогидродинамические, или магнитогазодинамические)-двигатели, которые по принципу действия обратны МГД-генераторам электрической энергии. В МГД-двигателях разгон плазмы производится обычно в прямоугольном канале, две противоположные стенки которого являются электродами (катодом и анодом), а две другие — электроизоляторами. Между электродами создаётся электрическое поле, под влиянием которого внутри плазмы возбуждается электрический ток. Одновременно внешняя магнитная система, полюса которой находятся со стороны электроизоляторов, создаёт в ускорительном канале магнитное поле, ориентированное перпендикулярно электрическому; поэтому такие РД называют ещё двигателями с взаимно перпендикулярными, или скрещёнными электрическим и магнитным полями. Возникающая в плазме ускоряющая сила направлена вдоль канала согласно известному в электротехнике правилу «левой руки». Ускорительный канал может иметь постоянное сечение, но чаще он несколько расширяется по длине наподобие реактивного сопла, что позволяет осуществить дополнительно газодинамический разгон РТ. Достижение требуемого ресурса МГД-двигателей является трудной задачей ввиду больших тепловых нагрузок на стенки канала. Последние изготовляются из жаростойких материалов (электродные — преимущественно из вольфрама, электроизоляционные — из керамики) и охлаждаются регенеративным, транспирационным и другими способами. С целью снижения эрозии стенок в качестве РТ используют химически инертный аргон (имеющий к тому же невысокий потенциал ионизации).

Конструктивно прост коаксиальный МГД-двигатель (коаксиальный ускоритель), содержащий концентрически расположенные, разделённые изоляционной проставкой катод и анод, между которыми возбуждается электрический разряд. Ток, протекающий по центральному электроду, создаёт в плазме собственное магнитное поле т. н. азимутальной конфигурации, то есть круговой направленности в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя (по «правилу буравчика»). Взаимодействие этого магнитного поля с радиально направленным током разряда вызывает появление в плазме осевой электромагнитной ускоряющей силы. Последняя становится существенной лишь при силе тока в системе порядка 3 — 5 кА, ввиду чего коаксиальный МГД-двигатель называют также сильноточным плазменным ускорителем. При сравнительно небольших токах этот РД подобен дуговому электротермическому РД, в котором разгон нагретого РТ осуществляется газодинамическими силами в реактивном сопле. Поскольку в коаксиальном МГД-двигателе наибольшее ускорение плазмы происходит в начальной части канала, в зоне центрального электрода (здесь сила Ампера максимальна), эффективным является т. н. торцевой ЭРД, отличающийся малой длиной; аноду обычно придают форму реактивного сопла. Простота конструкции и компактность коаксиальных МГД-двигателей в значительной степени определяют интерес к ним. Однако рабочие токи большой силы осложняют задачу обеспечения длительного ресурса.

Своеобразны холловские ускорители, в которых ускоряющая электромагнитная сила возникает в результате взаимодействия внешнего магнитного поля с т. н. токами Холла — вторичными токами, возникающими в любой токонесущей среде, помещённой в поперечное (по отношению к первичному току) магнитное поле. Эти токи становятся заметными лишь при снижении давления плазмы до 1 — 0,01 Па. РТ в холловских РД, как правило, являются пары щелочного металла. В образовании реактивной тяги большую роль играют ионы; в то же время из-за низкого давления среды мала степень увлечения нейтральных атомов и молекул. Эти особенности холловских РД сближают их с ионными электростатическими ракетными двигателями, по сравнению с которыми их важным преимуществом является большая плотность тяги. По особенностям конструкции, рабочей зоны и рабочего режима различают холловские ускорители с анодным слоем, линейные и торцевые.

Схемы электромагнитных РД

• а — ускорительный канал МГД-двигателя;
• б — торцовый коаксиальный МГД-двигатель;
• в — коаксиальный импульсный РД;
• г — линейный импульсный РД;
• д — пинчевый импульсный РД;
• е — эрозионный импульсный РД.

• Е — напряжённость электрического поля;
• Н, В — напряжённость и индукция магнитного поля;
• F — ускоряющая электромагнитная сила.

1. рабочее тело;
2. электроизоляционная проставка (перегородка);
3. корпус;
4. электропитание;
5. электроды;
6. сопло;
7. реактивная плазменная струя (плазменный сгусток);
8. зона электрической дуги;
9. конденсаторная батарея;
10. пружина подачи рабочего тела.

См. также

• VASIMR