Морозов Л. И. и Шубин Л. П.
Космические электрореактивные двигате
ли. М., «Знание», 1975.
64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Серия «Кос
монавтика, астрономия.», 7. Издается ежемесячно с
1971 г.)
Брошюра посвящена актуальной проблеме космонавтики •*разработке электрореактивных двигателей и их применению в
современных космических программах. С этими двигателями
связано будущее космических исследований, в частности, осуще
ствление полетов космических аппаратов к далеким планетам
Солнечной системы, а также обеспечение длительного функцио
нирования искусственных спутников Земли,
находящихся на
низких орбитах Рассказывается об использовании космического
«электрокара» в будущих транспортных системах многократно
го использования.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, интересу
ющихся вопросами космической техники.
М
31903—137
79—75
6TG
073(02)—75
Алексей Иванович Морозов,
Александр Павлович Шубин
КОСМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫЕ
ДВИГАТЕЛИ
Редактор Е. 10. Ермаков
Обложка Э. А. Смирнова
Худо ж. редактор В. И. К о и ю х о в
Техн, редактор Т. Ф. Айд а рх а нова
Корректор И. Л. К а з е к о
Л 08191. Индекс заказа 51207. Сдано в набор 18/IV 1975 г. Подпи
сано к печати 16/VI 1975 г. Формат бумаги SIXlOS'Ay Бумага
типографская № 3. Бум. л. 1,0. Печ. л. 2.0. Усл.-печ. л. 3.3G. Уч.изд. л 3,39. Тираж 36 000 экз. Издательство «Знание». 101835.
Москва, Центр, проезд Серова, д. 4.
Заказ 828.
Типография
Всесоюзного общества «Знание».
Москва, Центр, Новая пл.,
д. 3/4.
Цена 11 коп.
Издательство «Знание», 1975
Предисловие
Вторая половина нашего века ознаменовалась выдаю
щимися успехами в деле покорения космоса и овладе
ния его тайнами. Ныне космическое пространство ши
роко используется для получения и передачи ценнейшей
информации, необходимой для науки и промышленно
сти. Сюда входят наблюдения за поверхностью и ат
мосферой Земли, космическая ретрансляция радиосиг
налов, изучение Солнца, Луны, планет и других небес
ных тел.
Пройдет относительно немного времени (порядка
10—15 лет) и космическое пространство превратится в
гигантскую экспериментальную лабораторию, где будут
проводиться исследования по астрофизике, физике плаз
мы и элементарных частиц, технологии и многим дру
гим направлениям. И этот процесс уже начался.
Параллельно с этим в околоземном пространстве
возникнут производственные комплексы, где в условиях
невесомости и высокого вакуума будут создаваться ка
чественно новые материалы и системы, которые затем
будут доставляться на Землю.
Так, наряду с информацией на Землю пойдет поток
материалов, который будет непрерывно расти. Наконец,
сейчас активно обсуждаются вопросы создания внезем
ных энергетических станций, способных обеспечивать
энергией Землю. Очевидно, весь этот прогресс неразрыв
но будет связан с прогрессом космических двигателей,
требования к которым будут также непрерывно расти.
Двигатели должны стать предельно экономичными и
удобными в эксплуатации, они должны решать самые
разные задачи: от разгона тяжелых кораблей до преци
зионной ориентации телескопа или остронаправленной
антенны.
з
К числу наиболее перспективных двигателей буду
щего относятся электрореактивные двигатели (ЭРД), о
которых будет рассказано в этой брошюре.
Для
чего
нужны
ЭРД?
Контрасты космического полета. Всякий космический
полет включает в себя ряд «активных» этапов, когда
работают двигатели, и ряд «пассивных» этапов, во вре
мя которых двигатели выключены и движение космиче
ского аппарата (КА) происходит по инерции.
Основным по затратам мощности является этап вы
ведения КА с поверхности планеты (например, Земли)
на некоторую основную или промежуточную орбиту.
Для этого этапа создаются специальные ракеты-носи
тели. Некоторые параметры хорошо известных ракетносителей приведены в табл. 1.
Видно какой большой тягой и какой огромной мощ
ностью обладают эти системы. Большие значения тяги
необходимы для того, чтобы сообщить КА скорость не
ниже первой космической скорости. Идет противоборТаблица 1
Параметры ракет-носителей «Восток» и «Сатурн-5»
Тип ,ракетыносителя
«Восток»
«Сатурн-5»
Стартовая
масса, т
Стартовая
тяга, т
Удельный
импульс 1
в вакууме,
с
Суммарная
мощность
двигателей,
МВт
400
2760—2900
510
3450
314
290
15 000
95 000
1 Т. е. отношение скорости истечения реактивной струи к уско
рению силы тяжести Земли (9,8 м/с2). Удельный импульс — очень
важный показатель реактивного двигателя: он равен времени, в те
чение которого истекающая из сопла двигателя грамм-масса веще
ства создает грамм-силу реактивной тяги. Чем больше это время,
тем меньше «топлива» нужно израсходовать для создания необхо
димой силы тяги. Приведенные значения удельного импульса отно
сятся к кислородно-керосинному топливу, которое используется в
двигателях первой ступени.
4
ство: мощь ракеты-носителя противопоставлена посто
янно действующей силе земного тяготения.
Но вот КА вместе с последней ступенью ракеты-но
сителя, набрав нужную скорость, выходит на заданную
орбиту. И сразу все стихает. Начинается «пассивный»
этап, когда система движется в условиях невесомости
по инерции. Если мы захотим теперь изменить пара
метры орбиты, то для этого совсем не нужны мощные
двигатели с большой тягой. КА никуда не падает! Те
перь достаточно подействовать на многотонный КА си
лой, измеряемой граммами или даже долями грамма,
чтобы он начал медленно, но неуклонно совершать тре
буемый маневр '. Для этого достаточно лишь превзойти
величину помех, испытываемых КА за счет аэродинами
ческого сопротивления при движении в разреженной
атмосфере, давления солнечного света, притяжения Лу
ны и Солнца и т. п. Для спутника-шара диаметром
около 2 м на высоте 200 км эти помехи составляют
величину порядка 5 г, а на высоте 1000 км — величину
менее 0,1 г. Видно, как резко отличаются необходимые
величины тяги до и после выведения на орбиту.
Формула Циолковского. На первый взгляд может по
казаться, что малая величина тяги, необходимая на
космической орбите, вообще снимает проблему совер
шенствования двигателей. Однако это не так. Малая
величина тяги реализуется в условиях очень длитель
ной работы, измеряемой иногда годами12, в отличие от
нескольких десятков минут работы двигателей ракетыносителя. В результате суммарный импульс, вырабаты
ваемый двигательной установкой КА, — произведение
действующей силы на время работы двигательной уста
новки — и масса израсходованного двигателями рабо
чего вещества могут быть весьма большими. Основной
причиной появления ЭРД была необходимость получить
большую скорость истечения реактивной струи из дви
гателя. Поясним, зачем это нужно.
Реактивная сила тяги F, получаемая при истечении
в единицу времени массы т со скоростью и, равна ши.
1 Разумеется, чем меньше эта сила, тем дольше длится маневр.
Реально время маневра не бывает произвольным. Всегда существу
ют какие-либо ограничения на длительность маневра, но это уже
другой вопрос.
2 Такая длительность работы необходима, например, для под
держания требуемых параметров орбиты долгоживущего спутника.
5
Ускорение а, приобретаемое КА массой ц ё результате
этого, составит а = ти/ц. Следовательно, одно и то же
ускорение можно сообщить как при большом расходе т
и малой скорости истечения и, так и наоборот: при ма
лом расходе, но большой скорости истечения. Малые
скорости истечения невыгодны, поскольку в этом слу
чае необходимо иметь на борту большой запас рабоче
го тела, так что доля полезной нагрузки в общем стар
товом весе будет малой.
Этим рассуждениям можно придать более убеди
тельную форму, если воспользоваться фундаментальной
формулой Циолковского. Предполагая, что скорость ис
течения реактивной струи и постоянна и внешние силы
отсутствуют, К. Э. Циолковский вывел следующую за
висимость конечной массы ракеты цк от начальной мас
сы ц0, скорости истечения струи и достигнутой КА ско
рости v;
у
go
Формулу Циолковского, выведенную для предельно
идеализированных условий, можно применять к любо
му полету (например, выведению КА на орбиту Земли
или перелету Земля—Марс), если под v понимать не
которую условную величину, называемую характери
стической скоростью. Оценки характеристических ско
ростей для некоторых вариантов космических полетов
приведены в табл. 2.
Из формулы Циолковского следует, что резкое
уменьшение конечной массы по сравнению с начальной
происходит при v > и (см. табл. 2). Следовательно,
важнейшим условием создания относительно легких (и
соответственно дешевых) космических систем является
увеличение скорости истечения и. Вся история создания
современных реактивных двигателей — это прежде все
го борьба за всемерное повышение эффективной скоро
сти истечения реактивной струи.
Возможности термохимических двигателей. На на
чальном этапе развития космической техники единст
венно возможными и актуальными были термохимиче
ские ракетные двигатели, жидкостные или твердотоп
ливные, поскольку только они при относительно малом
6
Таблица 2
Типичные характеристические скорости и отношения конечной массы
ракеты к ее начальной массе для различных космических полетов
Выведение КА на круговую
орбиту вокруг Земли, высо
той h = 200 км
* 9,5
Перевод КА с орбиты h =
200 км на геостационарную
орбиту Л = 36 000 км
4
0,26
Полет к Луне с захватом на
орбиту высотой hn= 200 км
с орбиты Земли h3= 200 км
4
0,26
Полет к Марсу с захватом на
орбиту высотой Л м = 200 км
с орбиты Земли ft3 = 200 км
5,7
0,15
* 0,04
Полет с орбиты Земли высо
той h3 = 200 км к планетам
юпитерианской группы:
а) к Юпитеру с захватом на
орбиту высотой ft ю 14 000 км
24
б) к Плутону без захвата на
орбиту вокруг него
8,5
3.io-»
6 • 10-2
весе могли развивать тягу, необходимую для вывода КА
на орбиту. В соплах этих двигателей происходит разгон
продуктов сгорания высококалорийных смесей. Сущест
вует простая формула для подсчета максимально дости
жимой скорости истечения струи для данного случая:
«тах=уЛ 2х&77(%—1)Л1.
Здесь Т — температура в камере сгорания, Л! —
средняя масса молекул — продуктов реакции, % — так
называемый показатель адиабаты *, k — постоянная
Больцмана (1,38- 10~23 Дж/град). Значение скорости ис
течения струи, рассчитанное по этой формуле, соответ
ствует к.п.д. двигателя, равному 100%.
1 Для одноатомных газов X = 5/3, для двухатомных — 7/5.
7
Как видно, скорость истечения струи прежде всего
определяется начальной температурой Т и средней мас
сой молекул Л/. Физически это совершенно понятно,
поскольку в сопле за счет столкновений молекул друг с
другом их хаотическая (тепловая) энергия переходит в
кинетическую энергию направленного движения. При
этом одной и той же кинетической энергии соответствует
тем большая скорость, чем меньше масса молекул. Та
ким образом, выбирая топливо для термохимического
двигателя, необходимо, с одной стороны, брать более
калорийные смеси, а с другой — такие, продукты
реакции
которых обладают малым молекулярным
весом.
В табл. 3 приведены некоторые наиболее эффектив
ные комбинации «окислитель—горючее», соответствую
щие им максимальные скорости истечения продуктов ре
акции и достигаемые температуры.
Таблица 3
Предельные скорости истечения и температуры в камере сгорания
при использовании двухкомпонентного топлива
Окислитель — горючее
Кислород — бензин
Кислород — водород
“ли, км/с
Т, °К
4,5
5,2
4600
4200
Ни одно вещество при указанных в этой таблице
температурах просто не существует в твердом состоя
нии (самый тугоплавкий элемент вольфрам плавится
при 3670°К), так что возникает труднейшая проблема
охлаждения двигателя. В результате этого и по некото
рым другим причинам практически достигаемая ско
рость оказывается заметно ниже своего теоретического
предела, указанного в таблице (сравните данные
табл. 1 и 3). Сопоставляя величины достигаемой скоро
сти истечения с приведенными выше значениями харак
теристических скоростей, мы видим, насколько, в об
щем, малы отношения u/v, а следовательно, насколько
мала доля полезной нагрузки.
Итак, химической энергии, выделяющейся при сгора
нии ракетного топлива, не хватает, чтобы сообщить про
дуктам сгорания скорость истечения, соизмеримую с ти8
личными
характеристическими
скоростями
(10—
50 км/с). Поэтому и создаются гигантские ракеты, у ко
торых полезная нагрузка составляет всего единицы про
центов от их стартовой массы. Вышеупомянутая раке
та «Восток» выводит на геоцентрическую орбиту около
6 т груза (включая третью ступень ракеты), а «Са
турн-5» — не более 135 т. Ограниченность термохими
ческих РД очевидна. Возникает вопрос: можно ли соз
дать для ракет-носителей какие-либо другие, не термо
химические двигатели, способные обеспечить высокую
скорость истечения? Создание таких двигателей дало бы
большой выигрыш в полезной нагрузке.
Но как только мы отказываемся от использования
на ракете-носителе обычного химического двигателя, в
котором рабочее вещество (топливо и окислитель) яв
ляется одновременно и ускоряемой массой, и носителем
энергии, мы сразу же сталкиваемся со сложнейшей за
дачей создания нового мощного источника энергии. До
пустим, что мы захотели создать ракету-носитель на
новых принципах. Даже если предположить, что вся
энергия, вырабатываемая источником, идет на создание
тяги, оказывается, что при скорости истечения 10 км/с
для создания тяги в 1 кг необходима мощность 50 кВт,
а при скорости истечения 50 км/с — 250 кВт. Таким об
разом, для старта космического корабля весом в не
сколько тонн с поверхности Земли необходимо будет
иметь на его борту источник энергии гигантской мощ
ности, от сотен тысяч до- миллионов киловатт, причем
вес такого источника должен быть меньше величины
стартовой тяги. Создание столь мощной энергетики при
тех же, а тем более меньших весах, чем имеют совре
менные ракеты-носители, потребует колоссальных уси
лий и много времени.
Поэтому кажется маловероятным, что до 2000 г. уда
стся отказаться от химических двигателей для ракет-но
сителей.
Совсем другое дело — двигательные установки КА,
выведенных на орбиту. Здесь, как правило, нужны дви
гатели малой тяги, мощность которых может измерять
ся немногими киловаттами и даже единицами ватт! Но
при этом они должны обеспечивать большие скорости
истечения. Пожалуй, наиболее универсальными и про
стыми двигателями, удовлетворяющими этим требова
ниям, являются ЭРД. Ведь если, например, ускорить
9
ион водорода посредством разности потенциалов всего
в 1 В, то он получит скорость 15 км/с!'.
Выбор электрического источника энергии для двига
телей прогрессивен еще и потому, что в электроэнергии
нуждается многочисленная аппаратура, устанавлива
емая на космических объектах. Таким образом, созда
ние мощной электростанции на борту КА, оснащенного
ЭРД, сразу «убивает двух зайцев», позволяя обеспечить
электроэнергией как аппаратуру, так и двигательную
установку КА.
Особенности космических
электрореактивных
двигательных установок
Блок-схема такой установки содержит 4 элемента
(рис. 1): собственно ЭРД (1), источники электропита
ния (2), баки с запасом рабочего тела и системой по
дачи его в двигатели (3) и систему управления (4). От
личие этой схемы от термохимических двигательных
установок сводится к появлению специального источни
ка электропитания.
Рис. 1. Блок-схема космической электрореактивной двигательной установ
ки: 1 — ЭРД; 2 — источник энер
гии; 3 — система подачи и хранения
рабочего тела; 4 — система преоб
разования и управления
В данном разделе мы рассмотрим в общих чертах
особенности лишь первых трех блоков космических
электрореактивных двигательных установок.
1 Для получения такой скорости истечения с помощью тепло
вого разгона в сопле потребовалось бы нагреть водород до темпе
ратуры не ниже 4500°К1
10
Принципы ЭРД. В основу всякого реактивного дви
гателя заложен некоторый процесс ускорения вещества
(рабочего тела) с последующим его истечением. В ЭРД
могут использоваться три механизма ускорения: тепло
вой, электростатический и электромагнитный.
Тепловые ЭРД. В этих двигателях электроэнергия
служит лишь для подогрева рабочего тела, а его уско
рение осуществляется так же, как и в обычных ракет
ных двигателях, т. е. за счет перепада газокинетическо
го давления. Различают два типа тепловых ЭРД: электронагревные, в которых организован косвенный нагрев
рабочего тела (рис. 2,а), и электродуговые, в которых
источником тепла служит дуговой разряд, зажигаемый
непосредственно в парах рабочего тела (рис. 2,6).
Рис. 2. Электротермические двигатели: а — схема электронагревного двигателя; б — схема электродугового двигателя
Способность электродуговых ЭРД дать заметный вы
игрыш в скорости истечения по сравнению с обычными
термохимическими РД достаточно очевидна — темпера
тура дуги может быть значительно больше температу
ры стенок двигателя. Так, если предельно допустимая
температура стенок равна примерно 3300°К, то темпера
тура в дуге может быть в несколько раз выше. Это дает
увеличение скорости истечения.
Может показаться, что электронагревный РД, в ко
тором осуществляется косвенный подогрев рабочего те
ла, не может дать выигрыша в скорости истечения. На
самом деле это не так, поскольку ряд веществ (водород
Н2', аммиак iNH3, пары лития и другие) имеют молеку
лярный вес значительно ниже, чем, например, вода
(Н2О) или углекислый газ (СО2), которые образуются
при сгорании топлив. Так появляется возможность соз1 При температуре порядка 2500°К скорость истечения молеку
лярного водорода близка к 10 км/с.
II
дать двигатели с большой скоростью истечения. Но не
только это обстоятельство привлекает конструкторов.
Исключительная простота электронагревного ЭРД обес
печивает высокую надежность двигательной установки,
ее хорошую регулируемость, способность выдерживать
большое число включений двигателя. Все это — весьма
важные достоинства. Наконец, по сравнению с другими
типами ЭРД электронагревные ЭРД требуют минималь
ных энергетических затрат на единицу тяги, которые
можно снизить еще больше, используя в качестве рабо
чих тел вещества, разлагающиеся при нагревании с вы
делением тепла (например, гидразин iN2H4). В резуль
тате на сегодняшний день именно электронагревные, а
не электродуговые ЭРД оказались наиболее актуальными в семействе электротепловых двигате
лей. Исключение со
ставляют импульсные
электротерми ч е с к и е
двигатели малой мощ
ности.
Электростатические
ЭРД. Работа этих дви
гателей сводится к ус
корению заряженных
частиц одного знака
электрическим полем.
Наиболее перспектив
ными вариантами этих
двигателей
являются
ионные двигатели*
1, в
которых
ускоряются
положительно
заря
женные ионы.
Рис. 3. Схема ионного двига
Принци пиальная
теля и распределение потенци
ала: 1 — эмиттер; 2 — уско
схема ионного двигате
ряющий электрод; 3 — экран;
ля (рис. 3) включает 4
4 — нейтрализатор
основных узла: источ
ник ионов (эмиттер),
1 Существуют также схемы электростатических двигателей, в
которых вместо ионов ускоряются мелкие (порядка микрона и мень
ше) заряженные капли жидкости или пылинки. Такие двигатели по
лучили название коллоидных. Пока они находятся в стадии пред
варительной разработки, и мы не будем подробно на них останав
ливаться.
12
ускоряющий электрод, внешний электрод (или экран) и
катод-компенсатор (его называют также нейтрализато
ром). Нейтрализатор и внешний электрод заземлены на
Корпус КА, электрический потенциал которого близок к
потенциалу космического пространства (этот последний
мы примем условно за нуль); эмиттер находится под по
ложительным потенциалом + Ua, а ускоряющий элек
трод под отрицательным потенциалом —Пу.
Работает ионный двигатель следующим образом. Ра
бочее тело в виде газа или пара поступает в эмиттер, в
котором атомы рабочего тела ионизируются с образо
ванием положительно заряженных ионов. Выходя с по
верхности эмиттера в так называемый ускоряющий про
межуток (зазор между эмиттером и ускоряющим элек
тродом), ионы1 попадают в ускоряющее их электриче
ское поле й ускоряются в нем, подобно лыжнику, ска
тывающемуся с горы. Приращение кинетической энер
гии каждого иона равно проходимой им разности потен
циалов (высота «горы»), умноженной на заряд иона.
Ускоряемые ионы пролетают сквозь отверстия в ускоря
ющем электроде и, несколько замедляясь (за ускоря
ющим электродом ионы уже «поднимаются» на «гору»
меньшей высоты), движутся к экрану, пролетая сквозь
отверстия которого они выходят за срез двигателя.
Электроны, оставшиеся в эмиттере после ионизации,
«обегают» электрическую цепь (см. рис. 3) и поступают
в нейтрализатор, который «поливает» электронами вы
ходящий поток ионов. Если этого не сделать, то КА в
процессе работы ионного двигателя приобретет избыточ
ный отрицательный заряд (ионы улетают, но электроны
остаются на КА!) и начнет заворачивать назад вылета
ющие ионы, не давая им возможности уйти, унести свой
импульс, а следовательно, и создать тягу. Поэтому не
обходимо все время выбрасывать лишние электроны.
Это и делает нейтрализатор. Очевидно, электронный ток
из нейтрализатора должен быть в точности равен току
ионов, покидающих КА.
Зачем же на ускоряющий электрод подается отрица
тельный потенциал, не сказывающийся в конечном счете
на ускорении ионов? Он является препятствующей «го
рой» для электронов из нейтрализатора (их энергия ма
ла по сравнению с энергией ионов) и не дает им воз
Выходу электронов препятствует электрическое поле.
13
можности проникнуть в ускоряющий промежуток. В
противном случае нарушится процесс нейтрализации, а
электроны (заряд-то у них отрицательный!), набирая
большую энергию, начнут бомбардировать эмиттер.
В «идеальном» ионном двигателе все ионы, выходя-1
щие из эмиттера, должны пролетать сквозь отверстия
или щели в ускоряющем электроде. Необходимо, следо
вательно, не только ускорить ионы, но и сфокусировать
ионный поток, создавая в ускоряющем промежутке со
ответствующим образом подобранное пространственное
распределение электрического поля.
Скорость истечения и ионов массой М из ионного
двигателя определяется полной разностью потенциалов
U, пройденной ионами. Очевидно Mu2/2 = eU. Если речь
идет об однозарядных ионах (элементарный заряд е ра
вен 1,6- 1(Н9 Кул), то и (м/с) = 105}/ (7/50Л, где U —
напряжение в вольтах, А — атомный вес иона. Таким
образом, при прохождении разности потенциалов 50 В
ионы водорода (А=1) покидают ионный двигатель со
скоростью 100 км/с!
Наличие в ускоряющем промежутке частиц одного
знака приводит к своеобразному самоограничению плот
ности ионного тока, которую можно получить с поверх
ности эмиттера (эффект экранировки эмиттера объем
ным зарядом ионов). Хорошо известно аналогичное яв
ление ограничения объемным зарядом электронного то
ка в радиолампах. В силу указанного ограничения плот
ность тяги (отношение силы тяги к площади попереч
ного сечения ионного пучка) в ионном двигателе про
порциональна квадрату приложенной разности потенци
алов *. В частности, для создания весьма умеренной
плотности тяги в 0,1 г/см2 необходимо наложить элек
трическое поле напряженностью ~ 15 кВ/см. Разумеет
ся, такое поле требуется создать лишь в узком ускоряю
щем промежутке, так что ускоряющее напряжение ока
зывается не чрезмерно большим.
Электромагнитные ЭРД. Наиболее универсальными
и, по-видимому, наиболее перспективными являются
электромагнитные реактивные двигатели. Их работа
1 Точнее, при хорошо сфокусированном пучке ионов f =
= 4,4- 10_|0£2, где f — средняя плотность тяги (г/см2), Е — средняя
напряженность электрического поля (В/см). В единицах CGSE f =
= Е21?>п.
14
основана на взаимодействии магнитного поля с элек
трическим током, текущим поперек поля (рис. 4). В ре
зультате такого взаимодействия возникает амперова
(сила. Для линейного проводника с током эта сила, вы
раженная в граммах, равна *:
\
F =10-41В,
rj&I — сила тока в проводнике в амперах, I — его дли
на в сантиметрах, В — индукция магнитного поля в га
уссах. Возьмем токонесущий проводник длиной 10 см,
Рис. 4. Схема рельсового электро
магнитного двигателя
Рис. 5. Схема коаксиально
го электромагнитного дви
гателя
расположенный перпендикулярно магнитному полю.
Если по проводнику течет ток силой 25 А, а напряжен
ность магнитного поля равна 200 Гс, то действующая на
проводник сила равна 5 г. При токе 5000 А и поле 100 Гс
эта сила будет равна 0,5 кг, а при токе 10 000 А и поле
1000 Гс — 10 кг.
Скорости истечения, которые могут приобрести ато
мы (ионы) рабочего тела под воздействием указанных
сил, зависят, очевидно, от той массы, на которую эти
силы действуют. Для первого набора (/, В) характер
ный массовый расход рабочего вещества т составляет
1 мг/с, при этом скорость истечения порядка 50 км/с.
------------- к
1 Формула дана для наиболее интересного случая, когда ток и
поле взаимно перпендикулярны. Амперова сила направлена перпен
дикулярно как электрическому току, так и магнитному полю.
15
Для второго набора характерный массовый расход ра
вен 100 мг/с, соответственно скорость истечения —
также порядка 50 км/с. Аналогичные оценки можно сде
лать и для третьего случая.
/
Приведенная выше схема электромагнитного ускорения есть, по сути, схема импульсного двигателя с внеш
ним магнитным полем, который периодически сбрасы
вает токонесущие перемычки. Очевидно, что обеспечйть
средний секундный расход порядка 1 мг/с при скорости
истечения 20—50 км/с с помощью жестких (например,
металлических) перемычек — задача нереальная. На
самом деле такая перемычка должна состоять из прово
дящего газа, т. е. из плазмы, содержащей большее или
меньшее количество заряженных частиц (ионов и элек
тронов). Во многих плазменных ЭРД степень ионизации
плазмы близка к 100%. Итак, жесткие перемычки не
обходимо заменить плазменными. Поэтому электромаг
нитные ЭРД всегда плазменные.
Электромагнитные двигатели могут быть не только
импульсными, но и стационарными. Для этого необхо
димо организовать стационарное электропитание и не
прерывную подачу рабочего тела в межэлектродный
промежуток. Большинство электромагнитных двигате
лей как раз стационарного типа. Можно отказаться и от
внешнего магнитного поля, если пропускать через плаз
менную перемычку большой ток (порядка 10 кА и боль
ше). В этом случае собственное магнитное поле проте
кающего тока будет измеряться сотнями и тысячами
гауссов и вполне может заменить внешнее поле.
Плазменным ускорителям с собственным магнитным
полем обычно придают коаксиальную форму (рис. 5).
В коаксиальном ускорителе протекающий по централь
ному электроду ток создает азимутальное магнитное
поле, которое, взаимодействуя с радиальным электриче
ским током в плазме, создает амперову силу, разгоня
ющую плазменную перемычку. Так работают стационар
ные сильноточные торцевые и импульсные плазменные
двигатели.
Можно показать, что в электромагнитных двигате
лях с собственным магнитным полем плотность тяги
пропорциональна квадрату напряженности магнитного
поля1: / = 4- 10~5 В2, так что для создания плотности
' В системе CGSE / — В2/8л.
16
тяги 0,1 г/см2 необходимо создать магнитное поле на
пряженностью всего в 50 Гс. Эквивалентное электриче
ское поле в ионных двигателях равно целых 15 кВ/см!
Поэтому не удивительно, что плотность тяги в электро
магнитных двигателях может быть гораздо выше, чем в
электростатических двигателях *.
В заключение отметим, что, кроме использованной
выше классификации ЭРД по принципу ускорения (теп
ловому, электростатическому и электромагнитному), бы
вает удобно пользоваться классификацией по состоянию
вещества в канале двигателя. Тогда мы будем иметь
газодинамические (электронагревные), ионные, плаз
менные (электродуговые и электромагнитные) дви
гатели.
Энергетические характеристики ЭРД. При анализе
работы ЭРД, наряду с величинами тяги и скорости ис
течения (или удельного импульса), важную роль игра
ют энергетические параметры ЭРД.
Рассмотрим энергетический баланс ЭРД. Мощность
Ре, идущую на создание тяги, можно подсчитать сле
дующим образом. Припишем каждому атому массой М,
вылетающему со средней скоростью и, «среднюю» кине
тическую энергию Ми2/2. Считая работу ЭРД стаци
онарной и умножив эту величину на число вылетаю
щих в секунду атомов, получим искомое соотношение:
Р
ти2/2 = Fu/2. Разделив Ре на полную подводи
мую к ЭРД электрическую мощность Р, получим вели
чину, называемую «тяговым к.п.д.»:
= Fu/2P.
Другим важным показателем является «энергетиче
ский к.п.д.», равный отношению мощности Рс, уносимой
струей, к полной потребляемой мощности: т]э = Рс/Р.
Легко видеть, что тяговый к.п.д. г]г всегда меньше энер
гетического. Связано это с тем, что кинетическая энер
гия атомов выходящей струи складывается как из энер1 Мы ограничились рассмотрением лишь «электродных» ЭРД,
в которых энергия подводится с помощью двух (или большего чис
ла) электродов. Кроме такого рода систем, были предложены также
индукционные двигатели, в которых энергия подводится к рабочему
телу с помощью электромагнитной индукции; СВЧ-двигатели, в ко
торых носителями энергии являются сантиметровые радиоволны; не
изотермические двигатели, в которых энергия подводится с помощью
электронных пучков и т. д."Однако эти системы только начинают
разрабатываться,
'
-у
825-2
17
гии направленного движения, так и из тепловой энер
гии. В результате не все частицы рабочего тела имеют
на выходе из ускорителя одинаковую по величине и на
правлению скорость.
Одной из важнейших характеристик ЭРД является
цена тяги у, определяемая как отношение подводимой
мощности Р к величине силы тяги F : у = P/F. Цена
тяги показывает, сколько мощности потребляет ЭРД
для создания единицы силы тяги. Чем меньше эта вели
чина, тем меньше то количество энергии, которое при
ходится «платить» за создание тяги. Величину у мож
но записать в другом виде: у = м/2г]/г. Таким образом,
при постоянном
цена тяги растет с ростом скорости
истечения.
В импульсных двигателях в качестве характерных
величин берутся осредненные по времени массовый рас
ход т, сила тяги F, скорость истечения и, равная отно
шению Fjtn, и т. д. Энергетический к.п.д. определяется
как отношение энергии, вложенной за импульс в струю,
к полной энергии, вложенной за импульс.
Обеспечение ЭРД энергией и рабочим телом. В на
стоящее время основным источником электроэнергии на
борту КА являются солнечные фотоэлементы. Еще годдва тому назад мощность солнечных батарей КА не пре
вышала 1—2 кВт. Но в 1973 г. на орбиту спутника Зем
ли была выведена космическая лаборатория «Скайлэб»,
солнечные батареи которой обеспечивали уровень мощ
ности около 15 кВт.
Основой солнечных батарей являются полупроводни
ковые кремниевые фотоэлементы. Отдельные фотоэле
менты собираются в панель. Величина к.п.д. стандарт
ных солнечных фотопанелей около 10%. Поскольку
вблизи Земли на панель с фотоэлементами падает сол
нечный поток мощностью 1,3 кВт/м2, с квадратного мет
ра панели можно получить 100—150 Вт электроэнергии.
Правда, такую мощность можно получить при строгой
ориентации батарей перпендикулярно направлению рас
пространения солнечных лучей и лишь в начале экс
плуатации; через 6—12 мес. из-за «старения» фотоэле
ментов к.п.д. снижается до 5—6%, после чего он может
не изменяться в течение нескольких лет.
Таким образом, для получения 1 кВт электрической
18
мощности необходимо около 20 м2 панелей, которые
имеют вес порядка 100 кг1. В настоящее время ведутся
весьма интенсивные работы по совершенствованию фо
тоэлементов как в направлении увеличения их к.п.д.,
так и в направлении снижения веса панелей. В лабора
ториях уже имеются образцы фотоэлементов с к.п.д. на
уровне 16—18%! Достигнут успех и в деле уменьшения
веса путем уменьшения толщины фотоэлементов и пане
лей. Разрабатываются фотопанели в виде тонких пле
нок, толщиной менее 0,1 мм. Вес такой панели, выдаю
щей 1 кВт электрической мощности, уменьшен до 15 кг
и продолжает снижаться. Естественно ожидать, что в
ближайшее время энергообеспечение КА резко возрас
тет, и мощность бортовых источников в несколько кило
ватт станет достоянием рядовых спутников. Будучи в
высшей степени перспективной, солнечная энергетика
тем не менее не в состоянии обеспечить решение целого
ряда задач, которые могут быть поставлены перед КА с
электрореактивными двигательными установками. К
ним относятся полеты КА на низких орбитах, где велико
аэродинамическое сопротивление, будущие пилотиру
емые межпланетные полеты на кораблях с двигателями
большой мощности, измеряемой многими тысячами ки
ловатт, а также полеты к далеким планетам Солнечной
системы (Юпитер и далее), где плотность солнечной
энергии слишком мала. Поэтому, наряду с фотоэлемен
тами, большое внимание уделяется созданию космиче
ской ядерной энергетики. Это гораздо более компакт
ный и автономный источник энергии для КА. Разрабо
таны и созданы радиоизотопные генераторы на базе
атомных реакторов, в которых тепло, выделяющееся при
ядерных реакциях, преобразуется с помощью термоэле
ментов в электроэнергию. Однако пока это сравнительно
маломощные и тяжелые устройства с низким к.п.д.
Следующий вопрос, который возникает в связи с
функционированием космических
электрореактивных
двигательных установок, это вопрос обеспечения ЭРД
рабочим телом. В настоящее время и в ближайшем бу
1 К этому весу добавляется вес буферных аккумуляторных ба
тарей, которые необходимы для низколетящих спутников, заходящих
в тень Земли, а также вес систем ориентации батарей. Электропита
ние осуществляется от аккумуляторных батарей, которые заряжают
ся от солнечных батарей в то время, когда спутник освещается
Солнцем, и являются, таким образом, «буфером», сглаживающим
неравномерность выработки электроэнергии на борту спутника.
19
дущем его придется брать с собой с Земли. В дальней
шем, вследствие начинающегося уже сейчас развития
космической технологии, оно, по-видимому, будет полу
чаться прямо в космосе за счет переработки старых КА,
материала астероидов, лунных и планетных грунтов.
Ведь химическая природа рабочего тела для ЭРД не
очень существенна: оно выступает лишь в роли ускоря
емой инертной массы. Подача рабочего тела в ЭРД
имеет по сравнению с ЖРД свою специфику, связанную
как с особенностями рабочих тел, так и с малыми рас
ходами. Ниже мы отметим некоторые используемые
сейчас методы.
Современные типы
ЭРД
К настоящему времени в литературе описано большое
количество различных вариантов ЭРД. Но, как мы уже
отмечали, существуют лишь три основных типа: электронагревные, ионные и плазменные ЭРД.
Здесь будут рассмотрены конкретные примеры каж
дого типа двигателей, но прежде чем перейти к их рас
смотрению, остановимся вкратце на истории ЭРД.
Немного истории. Впервые идея об использовании
электричества для создания реактивной тяги была вы
сказана К. Э. Циолковским в его статье «Исследование
мировых пространств реактивными приборами», опубли
кованной в 1911 г. Циолковский писал:
«Может быть с помощью электричества можно будет
со временем придавать громадную скорость выбрасыва
емым из реактивного прибора частицам. И сейчас изве
стно, что катодные лучи в трубке Крукса, как и лучи
радия, сопровождаются потоком электронов, масса каж
дого из которых, как мы говорили, в 4000 раз1 меньше
массы атома гелия, а скорость достигает 30—100 тыс.
км/с, т. е. она в 6—20 тыс. раз больше скорости обык
новенных продуктов горения, вылетающих из нашей ре
активной трубы».
Так была сформулирована идея ЭРД.
Серьезное внимание обратил на электрореактивные
двигатели Герман Оберт, выдающийся немецкий специ
алист в области ракетной техники. В его книге «Путь в
На самом деле приблизительно в 7500 раз.
20
мировое пространство», изданной в 1929 г., целая глава
посвящена ЭРД. Оберт первым указал на то, что полу
чаемая таким способом тяга будет очень малой, но при
достаточно длительной работе двигателя можно уско
рить ракету до больших скоростей.
В 1929 г. в Ленинграде были начаты первые в мире
работы по конструированию ЭРД. Советский ученый
В.. П. Глушко — основоположник отечественного ракет
ного двигателестроения, ныне академик — предложил и
исследовал первый импульсный электротермический
двигатель, в котором рабочее вещество, подаваемое в
рабочую камеру порциями, в твердом или жидком виде,
нагревалось до очень высоких температур с помощью
электровзрыва, для чего через рабочее вещество произ
водился мощный электрический разряд с помощью кон
денсаторной батареи, а затем истекало через сопло
(рис. 6).
Рис. 6. Электротермический двигатель кон
струкции В. П. Глушко
Интенсивное развитие ЭРД началось, однако, лишь в
середине 1950-х годов. Мощным толчком к этому послу
жили, с одной стороны, огромные успехи в освоении кос
моса, а с другой — развитие в связи с проблемой соз
дания управляемого термоядерного синтеза новой от
расли физики — физики высокотемпературной плазмы.
И вот сначала в Советском Союзе, а затем в США по
21
являются электромагнитные «рельсовые»', а затем й
коаксиальные плазменные инжекторы (см. рис. 4), в
которых плазменные сгустки приобретали скорость до
100 км/с.
Выдающиеся советские физики И. В. Курчатов и
Л. А. Арцимович, возглавлявшие исследования в обла
сти физики плазмы в СССР, обратили самое серьезное
внимание на развитие работ по ЭРД. Горячую поддерж
ку этим работам оказал и С. П. Королев.
Благожелательная атмосфера, созданная в Совет
ском Союзе для работ по ЭРД, быстро принесла свои
плоды. В 1964 г. советские импульсные ЭРД вышли в
космос. В Советском Союзе были проведены космиче
ские испытания ионных (1966 г.) и стационарных плаз
менных (1972 г.) двигателей. Интенсивные космические
испытания ЭРД различных типов начались также в
США. Подробнее об этом мы расскажем в следующем
разделе.
Электронагревные двигатели. Принципиальная схема
этих двигателей была описана выше. В настоящее вре1 В 1957 г. была опубликована статья Л. А. Арцимовича, С. Ю.
Лукьянова, И. М. Подгорного и С. А. Чуватина, в которой впервые
описывались эксперименты по электродинамическому ускорению
сгустков плазмы.
22
мя электронагревные ЭРД, называемые в зарубежной
литературе «резистоджет», разрабатываются на мощ
ность от единиц ватт до нескольких киловатт для целей
ориентации и коррекции КА.
На рис. 7 показан электронагревный двигатель со
спиральным нагревателем из рения, который был изго
товлен на тягу 9 г и работал на аммиаке. Нагреватель
работал при температуре около 1000°К. У этого двига
теля удельный импульс равен 200 с, цена тяги состав
ляет всего 15,4 Вт/г, а тяговый к.п.д. достигает 52%.
Диаметр критического сечения сопла двигателя, сделан
ного из рения, равен 0,76 мм.
В настоящее время создаются более мощные элек
тронагревные ЭРД с высокой температурой нагревате
ля (около 2500°К). Разработана и испытана в лабора
тории модель двигателя на тягу 66 г при удельном им
пульсе 800 с, потребляющая мощность 3 кВт (цена тя
ги 45,5 Вт/г) и работающая на водороде.
Хотя удельный импульс электронагревного ЭРД и
может быть выше, чем в ЖРД, но все же он значитель
но ниже, чем в других типах ЭРД. Рекордно низкая, по
сравнению с другими ЭРД, цена тяги у этих двигателей
может в ряде случаев иметь решающее значение при
выборе этого типа ЭРД для сравнительно короткожи
вущих КА, если запас энергии на борту КА весьма ог
раничен.
Ионные двигатели. Ионизация вещества. Если в электронагревном ЭРД вещество в области ускорения (соп
ло) остается неионизованным, то в ионных двигателях
ситуация резко отличная. Здесь в зоне ускорения нахо
дятся только электрически заряженные частицы — ионы
одного знака (см. рис. 3). Существующие ионные дви
гатели различаются между собой прежде всего методом
«приготовления» ионов, т. е. ионизационными камерами.
Напомним, что процесс ионизации нейтрального ато
ма сводится либо к отрыву от него электрона, либо, на
оборот, к присоединению электрона. В настоящее вре
мя в ЭРД используется только первая схема ионизации.
Энергия, необходимая для отрыва электрона, характе
ризуется «потенциалом ионизации»
