Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ) .

Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский . В -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.

С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (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.

Принятая в русскоязычной литературе классификация электроракетных 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 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 .

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.

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.

Электрореактивный двигатель в Политехническом музее, Москва. Создан в 1971 году в институте атомной энергии им. И. В. Курчатова

В 1964 году 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 мк , рабочее напряжение составляло ~ 1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 году на КА «ЛЭС-6». В 1961 году 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/с. Лаборатория «Янтарь» достигла заданной высоты полёта 400 км, полёт продолжался 10 минут, ЭРД работал устойчиво и развил проектную тягу в пять граммов силы. О достижении советской науки научная общественность узнала из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовали азот . Скорость истечения была доведена до 120 км/с. В -1971 годах запущено четыре подобных аппарата (по другим данным, до 1970 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 Г. 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 воздушной двигательной установки. Зарегистрированная скорость реактивной струи достигла 140 км/с.

В 1971 году в системе коррекции советского метеорологического спутника «Метеор» работали два стационарных плазменных двигателя разработки 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.

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

Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами , они способны работать длительное время и осуществлять медленные полеты на большие расстояния

Отличительной особенностью реактивных электрических двигателей состоит в том, что источник энергии и рабочее вещество разделены, а передача энергии от источника к рабочему веществу осуществляется с помощью электромагнитных взаимодействий. Это позволяет получить высокие скорости истечения рабочего вещества. Это, в свою очередь, делает такой класс двигателей наиболее экономичным при выполнении транспортных работ в космосе. Вниманию посетителей сайта предлагается краткое описание некоторых двигателей этого класса.

Рисунок 22 - Электрический реактивный двигатель

Среди класса электрореактивных двигателей основное внимание уделяется т.н. плазменно-ионному двигателю.

Отличительная его особенность в том, что в нём используется разряд с осциллирующими электронами. Двигаясь в продольном магнитном поле сравнительно небольшой величины, электроны не могут сразу попасть на наружный кольцевой электрод - анод и участвуют в неоднократных ионизирующих столкновениях. Ускорение ионов происходит в продольном электрическом поле, а для компенсации на выходе ускорителя их объёмного заряда используется катод - компенсатор.

Плазменно-ионные двигатели обладают высоким КПД в широком диапазоне удельных импульсов. Они характеризуются, к тому же, низкими значениями плотности тяги. Т.е. удельная масса двигателя выше.

Плазменно-ионные двигатели прошли модельные испытания, однако полномасштабные испытания до сих пор не выполнены.

Для решения задач управления и ориентации космических аппаратов наиболее удобными оказываются импульсные плазменные двигатели. И наиболее перспективные в этом классе электрореактивных двигателей являются эрозионные плазменные двигатели.

В этих двигателях плазменный сгусток создаётся при пропускании большого тока, возникающего при разряде электрического конденсатора вдоль поверхности находящегося между электродами диэлектрика, материал которого испаряется, ионизуется и ускоряется под действием электромагнитных сил или газодинамических сил.

Импульсный плазменный двигатель обладает тем преимуществом, что возможно большое число включений (до 109); малым значением одного импульса (около 100 мкН*с); отсутствием импульса последействия.

Электронагревные реактивные двигатели отличаются тем, что электрическая энергия в них расходуется на нагрев и ускорение рабочего вещества при прохождении его через теплообменник. У двигателей этого типа минимальные энергетические затраты на создание тяги. В результате экспериментальных исследований было установлено, что оптимальным рабочим веществом для них является гидразин (H2N)2.

Рисунок 23 - Электрический реактивный двигатель

Гидразин представляет собой однокомпонентное эндотермическое топливо, поэтому при его химическом разложении на водород и азот в присутствии катализатора выделяется энергия. Это позволило создать целый особый класс электрореактивных двигателей - каталитические двигатели. Существуют и термокаталитические двигатели, в которых более простые катализаторы, выполненные в форме опресованных проволочных спиралей, обладают большим ресурсом.

Наименьшие полученные значения тяги для таких двигателей составляют порядка 10 мН.

Область применения электрореактивных двигателей:

• 1. Управление движением космических кораблей.
• 2. Корректировка орбиты, компенсация торможения аппаратов в верхних слоях атмосферы, перевод с одной орбиты на другую
• 3. Транспортные операции, связанные с осуществлением полётов к Луне и другим планетам Системы

Основные характеристики плазменно-ионных двигателей:

• 1. Электрическая потребляемая мощность - 1 кВт.
• 2. Создаваемая тяга - 27 мН
• 3. Скорость истечения - 42 км/с
• 4. Тяговый КПД - 67%
• 5. Напряжение - 2800 В
• 6. Рабочее вещество - ртуть

Этот обширный класс двигателей объединяет различные типы двигателей, которые очень интенсивно разрабатываются в настоящее время. Разгон рабочего тела до определенной скорости истечения производится за счет электрической энергии. Энергия получается от атомной или солнечной электростанции, находящейся на борту космического корабля (в принципе даже от химической батареи). Мыслимы многочисленные типы бортовых энергетических установок .

Схемы разрабатываемых электрических двигателей чрезвычайно разнообразны. Мы рассмотрим три основные группы электрических двигателей , различающиеся по способу, с помощью которого происходит выброс рабочего тела из ракеты. (Возможны, однако, и иные способы классификации электрических двигателей

Электротермические двигатели. Эти двигатели, как и все рассматривавшиеся нами до сих пор, относятся к тепловым. Нагретое до высокой температуры рабочее тело (водород) превращается в плазму - электрически нейтральную смесь

положительных ионов и электронов. Методы электрического нагрева могут быть различны: нагрев в электрической дуге (рис. 10), с помощью вольфрамовых нагревательных элементов, посредством электрического разряда и другие

Рис. 10. Схема электродугового двигателя

При лабораторных испытаниях электродуговых двигателей достигнута скорость истечения порядка Если удастся осуществить магнитную изоляцию плазмы от стенок тяговой камеры, температура плазмы сможет быть очень высока и скорость истечения доведена до Реактивные ускорения в электротермических двигателях будут порядка .

Первый в мире электротермический двигатель был разработан в 1929-1933 гг. в Советском Союзе под] руководством В. П. Глушко в знаменитой Газодинамической лаборатории .

Электростатические (ионные) двигатели . В этих двигателях мы впервые сталкиваемся с разгоном рабочего тела «холодным» путем. Частицы рабочего тела (пары легко ионизуемых металлов, например рубидия или цезия) теряют свои электроны в ионизаторе и разгоняются до большой скорости в электрическом поле. Чтобы электрический заряд струи заряженных частиц позади аппарата не препятствовал дальнейшему истечению, эта струя нейтрализуется вне его выбрасыванием отнятых у атомов электронов (рис. 11).

Рис. 11. Принципиальная схема ноьного двигателя

В ионном двигателе не существует температурных ограничений. Поэтому в принципе возможно достижение сколь угодно больших скоростей истечения, вплоть до приближающихся к скорости света . Однако слишком высокие скорости истечения приходится исключить из рассмотрения, так как они потребовали бы огромной мощности электростанции на борту корабля.

Рис. 12. Схема образования движущихся плазмоидов в «импульсном» плазменном двигателе 11.18].

При этом масса двигательной установки возросла бы гораздо сильнее, чем тяга, и в результате сильно бы снизилось реактивное ускорение. Цель космического полета, его продолжительность, качество энергетической установки определяют наилучшую, оптимальную для уданной задачи скорость истечения. Она находится, по мнению одних авторов, в пределах , по мнению других, , . Ионные двигатели будут способны сообщить реактивное ускорение порядка .

Большие надежды возлагаются некоторыми специалистами на особый тип электростатических двигателей - коллоидные двигатели. В этих двигателях ускоряются большие заряженные молекулы и даже группы молекул или пылинки диаметром около 1 микрона .

Рис. 13. Схема магнитогидродинамического двигателя со скрещенными полями.

Магнитогидродинамические (электродинамические, электромагнитные, магнит -плазменные, «плазменные») двигатли . Эта группа двигателей объединяет огромное разнообразие схем, в которых плазма разгоняется до некоторой скорости истечения изменением магнитного поля или взаимодействием электрического и магнитного полей. Конкретные методы разгона плазмы, а также ее получения весьма различны. В плазменном двигателе (рис. 12) сгусток плазмы («плазмоид») разгоняется магнитным давлением . В «двигателе со скрещенными электрическим и магнитным полями» (рис. 13) через плазму,

помещенную в магнитное поле, пропускается электрический ток (плазма - хороший проводник), и в результате плазма приобретает скорость (подобно проволочной рамке с током, помещенной в магнитном поле) . Оптимальная скорость истечения для магнитогидродинамических двигателей, вероятно, будет порядка при реактивном ускорении

В лабораторных испытаниях магнитогидродинамических двигателей достигнуты скорости истечения до .

Следует отметить, что во многих случаях отнести двигатель к тому или иному классу бывает затруднительно.

Электрические двигатели с забором рабочего тела из верхней атмосферы . Летательный аппарат, движущийся в верхних слоях атмосферы, может использовать разреженную внешнюю среду в качестве рабочего тела для электрического двигателя. Подобный электрический двигатель аналогичен воздушно-реактивному двигателю в классе химических двигателей. Поступающий через воздухозаборник газ может использоваться в качестве рабочего тела или непосредственно, или после накопления (и, возможно, сжижения) его в баках. Возможен также вариант, при котором в баках одного летательного аппарата будет накапливаться рабочее тело и перекачиваться затем в баки другого аппарата.

Важным преимуществом всех типов электрических двигателей является простота регулировки тяги. Серьезной трудностью - необходимость освобождения от избытка тепла, выделяемого ядерным реактором. Этот избыток не уносится рабочим телом и не отдается окружающей среде, которая практически отсутствует в мировом пространстве. Освободиться от него можно лишь с помощью радиаторов, имеющих большую поверхность.

В 1964 г. в США было проведено первое успешное испытание в течение 31 мин ионного двигателя, установленного на контейнере, запущенном на баллистическую траекторию. В реальных условиях космоса ионные и плазменные двигатели быливпервые испытаны на советском корабле «Восход-1» и советской станции «Зонд-2», запущенных в 1964 г. («Зонд-2» - всторону Марса) ; наряду с обычными они использовались в системах ориентации. В апреле 1965 г. ионный двигатель на жидком цезии испытывался вместе с ядерным реактором «Снеп-10А» на американском спутнике Земли, развивая тягу (вместо Цезиевые ионные двигатели с расчетной регулируемой тягой и электротермические двигатели, использующие в качестве рабочего тела жидкий аммиак и развивающие тягу до испытывались с переменным успехом на спутниках серии запускавшихся в США с 1966 г.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ , электроракетный двигатель (ЭРД) - ракетный двигатель , в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки КА (обычно солнечные или аккумуляторные батареи). По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические ракетные двигатели , электростатические ракетные двигатели и электромагнитные ракетные двигатели . В электротермических РД электрическая энергия применяется для нагрева рабочего тела (РТ) с целью обращения его в газ с температурой 1000-5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В электростатических РД, например, ионном, вначале производится ионизация РТ, после чего положительные ионы ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов) и, истекая из сопла, создают тягу (для нейтрализации заряда реактивной струи в неё инжектируются электроны). В электромагнитном РД (плазменном) рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещённых электрических и магнитном полях. На базе указанных основных типов (классов) ЭРД возможно создание различных промежуточных и комбинированных вариантов, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям применения. Кроме того, некоторые ЭРД при изменении режима электропитания могут «переходить» из одного класса в другой.

ЭРД имеет исключительно высокий удельный импульс - до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м 2) ограничивают максимально целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютонов. Для ЭРД характерны размеры ~ 0,1 м и масса порядка нескольких килограммов.

Рабочие тела ЭРД определяются сущностью процессов, протекающих в различных типах этих двигателей, и отличаются большим разнообразием: это низкомолекулярные или легко диссоциирующие газы и жидкости (в электротермических РД); щелочные или тяжёлые, легко испаряющиеся металлы, а также органические жидкости (в электростатических РД); различные газы и твёрдые вещества (в электромагнитных РД). Обычно бак с РТ совмещается конструктивно с ЭРД в едином двигательном блоке (модуле). Разделение источника энергии и РТ способствует весьма точному регулированию тяги ЭРД в широких пределах при сохранении высокого значения удельного импульса. Многие ЭРД способны работать сотни и тысячи часов при многократном включении. Некоторые ЭРД, являющиеся по своему принципу импульсными РД, допускают десятки млн. включений. Экономичность и совершенство рабочего процесса ЭРД характеризуются значениями коэффициента полезного действия и цены тяги , размеры ЭРД - значением плотности тяги .

Характерные значения некоторых параметров ЭРД

Параметры	Тип ЭРД
	электро-термический	электро-магнитный	электро-статический
Тяга, Н	0,1 — 1	0,0001 — 1	0,001 — 0,1
Удельный импульс, км/с	1 — 20	20 — 60	30 — 100
Плотность тяги (максимальная), кН/м 2	100	1	0,03 — 0,05
Напряжение питающего тока, В	единицы — десятки	десятки — сотни	десятки тысяч
Сила питающего тока, А	сотни — тысячи	сотни — тысячи	доли единицы
Цена тяги, кВт/Н	1 — 10	100	10 — 40
КПД	0,6 — 0,8	0,3 — 0,5	0,4 — 0,8
Электрическая мощность, Вт	десятки — тысячи	единицы — тысячи	десятки — сотни

Важной характеристикой ЭРД являются параметры электропитания. В связи с тем, что для большинства существующих и перспективных бортовых энергоустановок характерно генерирование постоянного тока сравнительно низкого напряжения (единицы — десятки вольт) и большой силы (до сотен и тысяч ампер), проще всего вопрос электропитания решается в электротермических РД, являющихся преимущественно низковольтными и сильноточными. Эти РД могут питаться также от источника переменного тока. Наибольшие трудности с электропитанием возникают при использовании электростатических РД, для работы которых необходим постоянный ток высокого (до 30-50 кВ) напряжения, хотя и малой силы. В этом случае необходимо предусматривать преобразующие устройства, которые значительно увеличивают массу ДУ. Наличие в ДУ рабочих элементов, связанных с электропитанием ЭРД, и малое значение тяги ЭРД определяют чрезвычайно низкую тяговооружённостъ КА с этими двигателями. Поэтому ЭРД имеет смысл применять только в КА после достижения 1-й космической скорости с помощью химического или ядерного РД (кроме того, некоторые ЭРД вообще могут работать лишь в условиях космического вакуума).

Идея использования электрической энергии для получения реактивной тяги обсуждалась ещё К. Э. Циолковским и другими пионерами космонавтики. В 1916-17 Р. Годдард подтвердил опытами реальность этой идеи. В 1929-33 В. П. Глушко создал экспериментальный электротермический РД. Затем в связи с отсутствием средств доставки ЭРД в космос и проблематичностью создания источников электропитания с приемлемыми параметрами разработки ЭРД были прекращены. Они возобновились в конце 50-х — начале 60-х гг. и были стимулированы успехами космонавтики и физики высокотемпературной плазмы (развитой в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза). К началу 80-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций ЭРД в составе КА и высотных атмосферных зондов. В 1964 испытаны впервые в полёте электромагнитные (СССР) и электростатические (США) РД, в 1965 — электротермические РД (США). ЭРД использовались для управления положением и коррекций орбит КА, для перевода КА на другие орбиты (подробнее см. в ст. о различных типах ЭРД). Значительные успехи в создании ЭРД достигнуты в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Проектные исследования показали целесообразность применения ЭРД в реактивных системах управления КА, рассчитанных на длительную работу (несколько лет), а также в качестве маршевых двигателей КА, совершающих сложные околоземные орбитальные переходы и межпланетные перелёты. Использование для указанных целей ЭРД вместо химических РД позволит увеличить относительную массу полезного груза КА, а в некоторых случаях сократить сроки полёта или сэкономить средства.

В связи с малым ускорением, сообщаемым КА электрическими двигателями, маршевые ДУ с ЭРД должны работать непрерывно в течение нескольких месяцев (например, при переходе КА с низкой орбиты на геосинхронную) или несколько лет (при межпланетных полётах). В США исследовалась, например, маршевая ДУ с несколькими ионными ЭРД тягой по 135 мН и удельным импульсом ~ 30 км/с, питаемыми от солнечной энергетической установки. В зависимости от числа ЭРД и запаса РТ (ртуть) ДУ могла бы обеспечить полёт КА к кометам и астероидам, вывод КА на орбиты Меркурия, Венеры, Сатурна, Юпитера, посылку КА, способного доставить на Землю марсианский грунт, посылку исследовательских зондов в атмосферы внешних планет и их спутников, вывод КА на околосолнечные орбиты вне плоскости эклиптики и т. д. В частности, ДУ в варианте с 6 ЭРД и запасом РТ в 530 кг смогла бы обеспечить пролёт около кометы Энке - Баклунда полезного груза массой 410 кг (включая 60 кг научной аппаратуры).

Исследуются также ДУ с ЭРД, питаемыми от ядерных энергетических установок. Использование этих установок, параметры которых не зависят от внешних условий, представляется целесообразным при электрической мощности КА свыше 100 кВт. Указанные ДУ могут обеспечить манёвры транспортных кораблей вблизи Земли, а также полёты между Землёй и Луной, посылку КА для детального исследования внешних планет, полёты межпланетных пилотируемых КК и т. д. Согласно предварительным проработкам, КА с начальной массой 20-30 т, снабжённый реакторной энергоустановкой мощностью в несколько сотен кВт и небольшим числом импульсных электромагнитных ЭРД с тягой по несколько десятков Н, смог бы в течение 8-9 лет исследовать детально систему Юпитера, доставив на Землю образцы грунта его спутников. Достижение высоких расчётных характеристик ДУ для такого КА требует, однако, решения многих проблем.

Разработка ЭРД способствует решению теоретических вопросов и созданию специальных материалов, технология, процессов, элементов и устройств, имеющих большое значение для развития промышленных технологических процессов, электротехники, электроники, лазерной техники, термоядерной физики, газодинамики, а также космических, химических и медицинских исследований.

Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.

Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.

Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.

Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.

Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.

В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения

Достоинствами твердотопливных РД являются:

• простота конструкции;
• сравнительная безопасность в плане экологии;
• невысокая цена;
• надежность.

Недостатки РДТТ:

• ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
• невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
• небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.

Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).

Достоинства жидкостных РД:

• высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
• возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
• меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.

Недостатки ЖРД:

• сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
• в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.

Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.

Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.

История создания

Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.

Устройство и принцип работы

Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.

Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.

Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.

Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.

Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования

Среди преимуществ ЭРД:

• высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
• малый расход топлива (рабочего тела).

Недостатки:

• высокий уровень потребления электроэнергии;
• сложность конструкции;
• небольшая тяга.

На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.