Електротермічні двигуни

Глава 4. ЕЛЕКТРИЧНІ РАКЕТНІ ДВИГУНИ

Загальні відомості

Відомо, що питома імпульс будь-якого ракетного двигуна залежить від швидкості виділення робочого тіла, що створює реактивну силу. Швидкість витікання й істотно впливає на корисне навантаження ракети. Ще у 1897 К. Е. Ціолковський вивів рівняння, що встановлює зв'язок між швидкістю витікання w, початковою m₀ і кінцевою m масами ракети і кінцевою швидкістю її руху

v= wln /m)

Як бачимо, підвищення кінцевої швидкості ракети, а значить і збільшення її дальності, прямо пропорційне швидкості витікання w і відношенню відповідних мас ракети. Тому природне постійне прагнення «двигунобудівників» збільшувати швидкість витікання робочого тіла. Вище розглянуті двигуни мали газодинамічне прискорення забезпечене тим чи іншим способом високотемпературного робочого тіла, причому здебільшого джерела енергії й робочого тіла були зведені воєдино. Виявилося, що подальше істотне збільшення v можна отримати, якщо розділити джерела енергії і маси, а прискорювати робоче тіло за допомогою електричних (і магнітних) полів. Двигуни, у яких електроенергія, отримана в окремій енергоустановці, перетворюється в кінетичну енергію потоку робочого тіла за допомогою електричних впливів, називають електроракетними (ЕРД). Вперше ідея використання електрики для створення реактивної тяги була висловлена К. Е. Ціолковським у 1911 р. У 1929 – 1930 рр. під керівництвом Н. П. Глушко був створений перший у світі ЕРД, який випередив на третину століття хід розвитку науки і техніки в цій галузі. Висока ефективність ЕРД і нові можливості, що відкриваються у разі їх використанні на космічних апаратах, привели нині до створення надійних і економічних електричних ракетних рушійних установок (ЕРДУ), доведених до натурних випробувань на різних літальних апаратах. Щоб прискорити робоче тіло в електромагнітних полях, необхідно попередньо перевести його у стан, на який ці поля можуть впливати. При такому підході найбільш доцільно джерело електричної енергій і механізм її передачі до робочого тіла роз'єднати. Все це дозволяє отримати великі швидкості витікання робочого тіла: w = (10 ÷ 10³) 10³ м /с для різних робочих тіл, а значить, і великі питомі імпульси двигуна І_пит. Але виявляється, що в реальних умовах обмеженої потужності енергоустановки N таке суттєве збільшення питомого імпульсу супроводжується зменшенням абсолютної тяги двигуна Р. Справді, якщо m – витрата робочого тіла, то N = mw²/2 ; Р =mw і Р = 2N/w. Таким чином, у разі обмеженої потужності енергоустановки збільшення швидкості витікання робочого тіла зумовлює відповідне зменшення абсолютної тяги двигуна. Тому електроракетні двигуни мають високі значення питомих імпульсів (або пропорційних їм швидкостей витікання), але низькі значення тяг Р. Тому ЕРД іноді і називають двигунами малої тяги. Але необхідно також зазначити, що в розглянутих раніше системах з великими тяговими зусиллями двигуни зазвичай складають невелику частку загальної маси апарату, а найбільша частка маси припадає на паливо (робоче тіло). Такі тягові системи створюють великі прискорення, але протягом малого часу. Розглянуті ж тут системи з ЕРД – системи з малою тягою, але з високою економічністю – мають масу одного порядку з масою робочого тіла. Вони забезпечують мале прискорення, але можуть працювати протягом тривалих відрізків часу, близьких до часу всього польоту космічного апарата (тобто цей час вимірюється не хвилинами, як в попередніх системах, а тисячами і десятками тисяч годин). Все це призводить до того, що якщо, наприклад, у ракети з ЖРД, що летить до Марса або Венері, маса всієї енергоустановки, в яку входять. двигун, робоче тіло, баки, система управління, складе близько 95% маси всього КЛА, то в апарата з ЕРД ця маса (разом з енергоустановкою) трохи більше половини його маси. Зараз відомо досить багато схем ЕРД, але всі їх можна розділити за типом механізму прискорення робочого тіла на:

1) електротермічні (ЕТРД),

2) електростатичні (ЕСРД),

3) електромагнітні, або плазмові (ЕМРД).

Зазначимо, що розрізняють і інші типи електричних двигунів – залежно від геометрії електродів, способу підведення електричної енергії до робочого тіла і характеру зміни струму в часі.

Електротермічні двигуни

Електротермічні (електротеплові) двигуни в певній мірі є комбінацією двигунів з газодинамічними прискоренням і ЕРД. З одного боку, у цього типу двигунів робоче тіло і джерело енергії розділені, а з іншого – як їх механізму прискорення ~ використовують відоме вже газодинамічне сопло. Ідея електротермічних двигунів полягає у нагріванні робочого тіла за допомогою електричної енергії з подальшим газодинамічним прискоренням. Залежно від способу нагрівання робочих тіл електричною енергією електротермічні двигуни поділяються на:

1) електронагрівні (ЕНРД),

2) ) електродугові (ЕДРД),

3) 3) електроабляційні (ЕАРД).

У електронагрівних ракетних двигунахвикористовують найпростіший метод підвищення температури робочого тіла за рахунок конвекції і випромінювання від електричних елементів опору (тому цей тип і називають ще резисторним або «резістоджет»). Найпростіша схема резисторного ЕНРД представлена на рис. 4.1. Електричну енергію від джерела подають на металеву трубку, яка служить одночасно стінкою камери і нагрівачем, де за рахунок її опору електрична енергія перетворюється на теплову, яка відбирається робочим тілом, що омиває стінку. Теоретично питомий імпульс ЕНРД, у разі використання як робочого тіла водню, може досягати 10⁴ м/с. Незважаючи на зменшення к.п.д. двигуна зі зростанням температури робочого тіла, простота і надійність цих систем зробить їх незамінними в багатьох випадках.

Різновид електронагрівних двигунів – двигуни, в яких тепло до робочого тіла підводиться за допомогою високочастотного електричного поля (рис. 4.2). Робоче тіло нагрівається сильним змінним електричним полем, яке призводить до так званого безелектродні розряду. Власне кажучи, такий нагрів,. Як і в попередньому випадку, визначається електричним опором. Останнім часом інтерес до ЕНРД зріс у зв'язку з можливістю застосовувати їх для стабілізації та корекції КЛА, для розвантаження гіроскопів і керування положенням на орбіті довготривалих жилих станцій. Переваги цих двигунів посилюються у зв'язку з можливістю ще більше знизити енергетичні витрати на одиницю тяги (ціну тяги) у разі комбінації ЕНРД з однокомпонентним ЯРД, які працюють на унітарній паливі, зокрема на гідразин. У такому двигуні, іноді званому електрохімічним ракетним двигуном (ЕХРД), що подається в камеру унітарне паливо, зокрема рідкий гідразин, послідовно випаровується і розкладається в теплообміннику, виготовленому з матеріалу, який сприяє швидкому розкладанню палива (наприклад, у випадку гідразину – з платини). Після цього продукти каталітичного розкладання з температурою близько–1000 К (у разі гідразину) підігріваються за допомогою електрики, як це робиться в ЕНРД. В існуючих за кордоном таких двигунах питомий імпульс досягає 3000 м/с за витрати в електропідігрівачі декількох ватів електроенергії на грам продуктів термічного розкладання.

Електродугові двигуни (ЕДРД). У розглянутих схемах питомий імпульс, очевидно, обмежується електродним нагрівом робочого тіла – теплостійкістю матеріалу нагрівача. Тому виникла ідея безпосередньо підводити енергію в робоче тіло. Це можливо у разі утворення прямо в камері електричної дуги, де робоче тіло нагрівається до високої температури (рис. 4.3). Двигуни такого типу мають недоліки, пов'язані з необхідністю надійно охолоджувати елементи і з ерозією електродів. В даний час вже є прототипи таких двигунів з питомою імпульсом (2 ÷ 3) 10⁴ м / с

Електроабляціоні двигуни. У раніше розглянутих типах двигунів робоче тіло, як правило, передбачалося рідким. У абляційних (або сублімаційних) двигунах (ЕАРД) в якості робочого тіла використовують тверду речовину (можна застосовувати і рідину). За допомогою електричної енергії (чи то за рахунок опору, чи то за рахунок дуги) речовина нагрівається, переходячи відразу в газоподібний стан (рис. 4.4). Подібні. речовини широко відомі в природі – нафталін, сірчистий амоній, камфора і т. п. Питома імпульс такого типу двигунів може досягати (5 ÷ 10) 10⁴ м / с. Гранична простота і компактність роблять їх особливо перспективними.

Поиск по сайту: