В основе конкретного ЭРД может лежать практически любая система, переводящая электрическую энергию в кинетическую энергию потока. Почти для каждой программы полета КА можно подобрать схему ускорителя с наиболее адекватными характеристиками. Подчеркнем, что речь идет о принципиальной схеме, поскольку для того, чтобы на ее основе получился дви- гатель, всегда требуется большая работа по оптимизации конструкции. Поэтому не удивительно, что фронт поисковых разработок ЭРД, особенно на начальном этапе E0-60-е годы XX столетия), был очень широк [254]. Исследовались ^30 разных вариантов ускорителей. Но постепенно стали вырисовываться схемы, обладающие совокупностью важных достоинств, которые обеспечивали им в будущем достаточно многообразные применения. Естественно, что этим ускорителям стали уделять ос- новное внимание [255]. ЭРД несколько условно можно разбить на три типа: - подогревные (с твёрдотельным или дуговым источником тепла и ускорением рабочего вещества за счет Vp); - ионные, включая коллоидные (в ускорительном зазоре находятся только поло- жительно заряженные частицы, ускоряемые электростатическим полем); - плазменные (с квазинейтральным хорошо ионизованным потоком и преимуще- ственным ускорением под действием силы Ампера). 1) Первая ступень двигателя Аполлон-Сатурн работала на керосине и жидком кислороде, а две другие — на водороде и кислороде. 10.4. Ионные и плазменные космические двигатели 523 Каждый из этих типов распадается на ряд подтипов. Очевидно, простейшими ЭРД являются подогревные с твердотельным подогревателем. И они сегодня работают на более чем 30 связных геостационарных аппаратах. Они поддерживают местоположе- ние спутников, компенсируя действие солнечного ветра, несферичности гравитаци- онного поля Земли и т. п. Основной выигрыш от этих двигателей связан с тем, что при очень малых размерах они дают потоки легких нейтральных газов (например, Н2 или продуктов разложения аммиака и т. п.) со скоростями ^ 4 км/с и кпд ^ 50%. Несколько десятков (~ 30) геостационарных спутников оснащены электродуго- выми двигателями. Эти двигатели имеют относительно невысокий кпд (^ 40%), но, используя водород как рабочее тело, могут обеспечить скорости истечения w ~ ~ 12 км/с. Рассмотрим теперь ионные и плазменные двигатели, которые уже работали в кос- мосе. Таких типов ЭРД четыре. Первые из них — ионные и импульсные ЭРД, к сегодняшнему дню (конец 2003 года) проработали единичными экземплярами или малыми сериями в общей сложности порядка 20 раз каждый. Двигатели тре- тьего типа — стационарные плазменные двигатели, обычно называемые по своей аббревиатуре (СПД), стали штатными системами и уже работали более чем на 35 спутниках. Им мы посвятим специальный п. 10.4.3. Наконец, двигатель четвертого типа, называемый "двигателем с анодным слоем (ДАС) — пока работал только на одном КА. Он близок к СПД, и поэтому на нем мы специально останавливаться не будем. Ионные двигатели. Для скоростей истечения ^ 40 км/с и не очень больших мощностей (^ A0—30) кВт) рядом достоинств обладают многопучковые (многоапер- турные) ионные двигатели с единой газоразрядной камерой (ГРК), впервые пред- ложенные Г. Кауфманом (США). На рис. 10.4.2 изображена схема его первого многоапертурного ионного двигателя. Средняя плотность тяги, развиваемой ионными двигателями, ограничена объёмным зарядом в ускорительном промежутке (закон /2") и равна / = 8тг Так, при Е ~ 1 кВ/мм величина 4 • г/см Рис. 10.4.2. Многопучковый ион- ный двигатель Г. Кауфмана: 1 — подача рабочего вещества в ГРК и нейтрализатор; 2 — полый катод; 3 — корпус ГРК; 4 — анод; 5 — катушка магнитного поля; б — ко- жух двигателя; 7 — ускоряющий промежуточный электрод; 8 — ней- трализатор; В — силовые линии Поэтому такие двигатели высоковольтны, а чтобы снизить скорость выходящего потока до оптимальной величины, в ионных двигателях используют вещества с боль- шим атомным весом. Первые ионные двигатели, успешно работавшие на спутниках США, были вы- ведены в 1970 г, а на баллистических ракетах — в 1964 г. Они были созданы Г. Кауфманом. До настоящего времени B005 г.) было порядка 20 полетов ионных двигателей на спутниках. 524 Гл. 10. Примеры современных плазменных технологий Рис. 10.4.3. АИПД термическо- го типа, работавшие в космосе (Зонд-2, 1964 г., СССР): 1 - тефлон, 2, 3 — электроды, 4, 5 — инициатор разряда (поджиг) Импульсные абляционные двигатели. Эти эрозионные (абляционные) импульсные плаз- менные ускорители и, соответственно, двигате- ли (АИПД) существуют двух типов: электротер- мические (рис. 10.4.3а) и электродинамические (рис. 7.4.26). В обоих случаях рабочим веществом является плазма, образующаяся из диэлектрика под действием скользящего разряда. Характерная масса, поступающая за импульс с изолятора в разряд, обыч- но в двигателях порядка нескольких десятков милли- грамм. В электротермическом АИПД образующаяся плазма нагревается джоулевым теплом и ускоряет- ся обычным гезокинетическим давлением. Наоборот, в электродинамическом АИПД эрозионная плазма разгоняется преимущественно амперовой силой, для чего используется обычно схема рельсотрона, т. е. система двух плоских электродов. АИПД — это двигатель малой тяги. Они использовались либо для систем ори- ентации, либо для поддержания положения малых КА на орбите. Первый АИПД (термического типа), изображенный на рисунке 10.4.3, был выведен в Космос на КА "Зонд-2" в 1964 году в СССР. Он был создан под руководством A.M. Андрианова (ИАЭ). Первый АИПД электродинамического типа был выведен в США, где про- работал около двух лет, поддерживая положение космического аппарата LES-6 на геостационарной орбите (рис. 7.4.26).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «О разновидностях ЭРД» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
