Электрореактивный двигатель что это

Электрический ракетный двигатель

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц [1] . 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).

Содержание

[править] Эволюция ЭРД

В своей истории электрический ракетный двигатель постепенно увеличивал мощность, пройдя путь от ионного двигателя через холловский двигатель к МПД двигателю. Тяга увеличилась с 20-250мН до 2,5-25 Н, потребляемая мощность с 1-7 кВт до 100—500 кВт, а применение от главного тягового двигателя небольшой автоматической космической станции до главного тягового двигателя для тяжелых грузовых и пилотируемых космических кораблей.

[править] Сравнение с химическими ракетами

Различие между электрическими и химическими двигатели показано на рисунке № 2. Электрические двигатели имеют малую тягу по сравнению с химическими ракетами. Однако химические двигатели расходуют огромное количество топлива и поэтому работают только короткое время. Электрические же ракетные двигатели могут работать очень долго и за большое время способны разогнать космический аппарат до приличных скоростей. Поэтому электрические ракетные двигатели лучше всего подходят на медленные путешествия на большие расстояния, а химические ракетные двигатели — на быстрые перелеты на короткие расстояния.

Говоря другими словами электрические ракетные двигатели имеют более высокую Δv — приращение скорости за то же количество топлива. Поэтому хотя химические ракеты и имеют большую тягу, но это преимущество достигается за счет огромного расхода топлива. Причина связана с тем, что скорость истечения топлива у электрических ракетных двигателей намного выше по сравнению с химическими ракетами. А скорость истечения топлива в свою очередь определяет его удельную эффективность — получаемую энергию на единицу массы.

В общем химический ракетный двигатель можно сравнить со спринтером, пробегающим 100 метров со скоростью 10 м/с, а электрический ракетный двигатель — с марафонцем, пробегающим 40 километров со скоростью скажем 1 м/с. Правда тут есть один нюанс. В космосе нет силы трения и гравитации, поэтому любое движение является равноускоренным. Если человек первую секунду бежал со скоростью 1 м/с, то во вторую секунду его скорость уже составит 2 м/с. при тех же усилиях бегуна.

Стоит отметить, что электрический ракетный двигатель можно применять только в космосе, так как его одномоментная сила тяги намного слабее гравитации Земли. Для стартов пока нет альтернативы химическому ракетному двигателю с его способностью развить мощную тягу за считанные секунды.

[править] Введение

Идея использовать для ускорения рабочего тела (РТ) в реактивных двигателях электрическую энергию 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.

Читайте также:  Схема двигателя авео 2010

С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения 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 60-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 70-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.

В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.

[править] Классификация ЭРД

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы 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 КПД.

[править] Краткие технические характеристики

ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.

Читайте также:  Какое масло заливать в двигатель бензогенератора dde

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 10 20 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.

Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.

ЭРД характеризуются не очень высоким КПД — от 30 до 60 %.

[править] История

В 1964 в системе ориентации советских КА «Зонд-2» в течение 70 минут функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели температуру

30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкф, рабочее напряжение составляло

1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 на КА «ЛЭС-6». В 1961 пинчевый импульсный РД американской фирмы «Рипаблик авиэйшен» (англ. Republic Aviation ) развил на стенде тягу 45 мН при скорости истечения 10—70 км/с.

1 октября 1966 года трёхступенчатой геофизической ракетой 1Я2ТА была запущена на высоту 400 км автоматическая ионосферная лаборатория «Янтарь-1» для исследования взаимодействия реактивной струи электрического ракетного двигателя (ЭРД), работавшего на аргоне, с ионосферной плазмой. Экспериментальный плазменно-ионный ЭРД был впервые включён на высоте 160 км, и в течение дальнейшего полёта было проведено 11 циклов его работы. Была достигнута скорость истечения реактивной струи около 40 км/сек. Лаборатория «Янтарь» достигла заданной высоты полёта 400 км, полёт продолжался 10 минут, ЭРД работал устойчиво и развил проектную тягу в пять грамм. О достижении советской науки научная общественность узнала из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовали азот. Скорость истечения была доведена до 120 км/сек. В 1966—1971 запущено четыре подобных аппарата (по другим данным до 70 года и шесть аппаратов).

Осенью 1970 года успешно выдержал испытания в реальном полёте прямоточный воздушный ЭРД. В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские учёные — профессор Георгий Львович Гродзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин — доложили об испытаниях двигательной установки, работающей на воздухе. Зарегистрированная скорость реактивной струи достигла 140 км/с.

В 1971 в системе коррекции советского метеорологического спутника «Метеор» работали два стационарных плазменных двигателя разработки Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и ОКБ Факел, каждый из которых при мощности электропитания

0,4 кВт развивал тягу 18—23 мН и скорость истечения свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений один из двигателей проработал непрерывно 140 ч. Эта электрореактивная двигательная установка изображена на рисунке.

Читайте также:  Дизель на холодную троит и глохнет двигатель

Также электроракетные двигатели используются в миссии Dawn. Планируется использование в проекте BepiColombo.

[править] Перспективы

Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами, они способны работать длительное время и осуществлять медленные полеты на большие расстояния (например к внешним планетам Солнечной системы) [2] . Если же говорить о межзвездном полете, то электроракетный двигатель с ядерным реактором имеет небольшое ускорение, поэтому потребуются столетия для достижения нужной скорости, что позволяет использовать его только в кораблях поколений [3] [4] .

В настоящее время многими странами исследуются вопросы создания пилотируемых межпланетных кораблей с ЭРДУ. Существующие ЭРД не являются оптимальными для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий, цезий) с электрической мощностью до 1 МВт, способных длительно работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и скорость истечения 20—30 км/с при КПД 30 % и более. В 1975 г. подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил скорость истечения

Кроме России и США исследованиями и разработкой ЭРД занимаются также в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешны разработки Великобритании и Германии, особенно — совместные); СПД и ДАС (Япония, Франция); ЭТД (Франция). В основном эти двигатели предназначены для ИСЗ.

Источник

Создан электрический реактивный двигатель

Создан прототип реактивного двигателя, который не нуждается в ископаемом топливе. Это один из шагов в борьбе с изменением климата и дополнительный гвоздь в крышку гроба нефтедобычи.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале AIP Advances, было создано устройство, которое сжимает воздух и ионизирует его микроволнами, генерируя плазму для тяги.

Это говорит о том, что самолеты, летающие на электричестве и воздухе — реальность, стоящая на пороге.

Масштабирование

Естественно, завтра такой самолет в воздух не поднимется, потому что между прототипом и готовой к эксплуатации модели есть дистанция.

Однако известно, что опытный образец смог поднять стальной шарик весом в один килограмм на 24 миллиметра в воздух. Вроде незначительно, но это из-за масштаба тестовой модели. По факту была достигнута тяга эквивалентная обычному реактивному двигателю.

«Наши результаты доказывают, что реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы сможет стать альтернативой обычному реактивному двигателю на ископаемом топливе», — сказал ведущий исследователь и инженер Уханьского университета Яу Тан.

Воздушная струя

Коммерческие воздушные перевозки ответственны за 2,5% всех выбросов парниковых газов и это без учета военных самолетов.

«Мы хотим помочь решить проблемы глобального потепления. Люди используют двигатели внутреннего сгорания на ископаемом топливе для такой приводной техники, как автомобили и самолеты. Кто-то занимается электромобилями, а мы вот решили поработать над самолетами. Наша технология не нуждается в ископаемом топливе, а значит не будет выбросов углекислого газа, вызывающего парниковый эффект и глобальное потепление», — отметил Яу Тан в пресс-релизе.

Источник

Adblock
detector