Електростатичні двигуни

Безперечний інтерес викликає використання у двигунах заряджених частинок, отриманих «холодними» методами. Виділення з цих частинок позитивно заряджених дає можливість прискорювати їх в електричному полі (за рахунок сил Кулона). На цьому принципі заснована дія електростатичних ракетних двигунів (ЕСРД). ЕСРД складаються з наступних основних елементів: джерела іонів або інших заряджених частинок; прискорювальної системи, що забезпечує електричне поле для прискорення часток, і нейтралізатора, що додає у вихідний позитивно заряджений струмінь електрони, перетворюючи його в нейтральний (рис. 4.5). До складу ЕСРД також входять різні системи:

– подачі робочого тіла з баку,

– регулювання параметрів двигуна;

– керування роботою двигуна та інші.

Зазвичай електростатичні двигуни класифікують за типом заряджених часток, які прискорюються і за методом їх отримання.

Рис. 4.5. Схема електростатичного двигуна:

1 – робоче тіло, 2 – джерело заряджених частинок, 3 – нейтралізатор (катод); 4 – прискорювач; 5 – джерело енергії

Залежно від типу заряджених часток розрізняють іонні ракетні двигуни (ІРД), які працюють на атомарних іонах, і колоїдніракетні двигуни (КЕРД), у яких прискорюють не іони, а відносно більші угрупування атомів і молекул, мікроскопічні крапельки, порошинки тощо. У свою чергу, ІРД можна розділити за методом отримання іонів на двигуни з поверхневою і з об'ємною іонізацією. У двигунах з поверхневою або контактною іонізацією атоми робочого тіла втрачають зовнішні електрони, перетворюючись в іони у разі зіткнення з поверхнею іонізатора. В ІРД з об'ємною іонізацією або з іонізацією електронним ударом цей процес здійснюється за допомогою електронів катода, що бомбардують нейтральні атоми газоподібного робочого тіла у спеціальній камері.

Іонні двигуни. Контактні двигуни. У двигунах цього типу атом робочої речовини перетворюється на іон у результаті зіткнення з деякою поверхнею. Такий процес можна успішно удосконалювати у разі певного поєднання властивостей робочої речовини та матеріалу іонізатора. Для цього, насамперед, робота відривання зовнішнього електрона атома робочого тіла повинна бути менше роботи виходу електрона матеріалу поверхні іонізатора. Ця умова, очевидно, забезпечує переважне протікання процесу іонізації робочої речовини. Відомо досить багато сполук речовин з енергією іонізації меншою, ніж робота виходу. Це такі робочі речовини, як лужні метали (цезій, рубідій, калій, у яких зовнішні електрони слабо пов'язані з ядром, і такі матеріали поверхні іонізації як платина, вольфрам, реній, тантал, іридій, вуглець і т. п., що мають роботу виходу більшу, ніж енергія іонізації вказаних лужних металів. Але оскільки утворений іон залишає поверхню іонного джерела лише за певної температури, то матеріал іонізатора повинен мати достатньо високу температуру плавлення.

Нині набула поширення пара цезій – вольфрам (рис. 4.6). Перетворення рідкого цезію в пароподібний і нагрівання вольфрамового іонізатора здійснюють за допомогою електричної енергії. Наявність нейтралізатора потоку іонів ускладнює двигун, але без цього пристрою за двигуном виникає позитивний просторовий заряд, що перешкоджає витіканню реактивного струменя. Нейтралізатор вирішує цю проблему. Контактні іонні ракетні двигуни (КІРД) дозволяють отримувати більші значення питомих імпульсів. За оцінками І_пит = (2…10) 10м/с.

Рис. 4.6. Схема іонного двигуна з поверхневою іонізацією:

1 – нагрівач робочого тіла, 2 – пористий вольфрамовий іонізатор (Т≈ 1400 К); 3 – електронна пушка (нейтралізатор); 4 – прискорювальний електрод; 5 – електрони; 6 – іони

Двигуни з об'ємною іонізацією. Останнім часом інтенсивно досліджують пристрої, що використовують для отримання іонів методи газового розряду, тобто двигуни з об'ємною іонізацією (ІРДОІ). У таких системах іони утворюються в результаті зіткнень атомів з електронами, що рухаються за досить складними траєкторіями – коливаючись або обертаючись між катодом і анодом. Розглянемо двигуни з іонним джерелом на основі розряду з осцилюючими електронами, або двигуни з іонізацією електронним ударом. Найбільш поширеним іонним джерелом з осцилюючими електронами є джерело, розроблене Г. Кауфманом (рис. 4.7).

Електрони, що випускаються катодом, коливаються в розрядній камері, рухаючись уздовж спіральної траєкторії. Після їх зіткнення з атомами робочої речовини утворюються іони, які витікають через отвори у передній стінці камери і потрапляють до прискорювальної системи. Щоб виключити пряме попадання електронів на анод, котушки створюють магнітне поле, паралельне осі камери.

Рис. 4.7. Схема іонного джерела на основі розряду з осцилюючими електронами:

1 – термоемісійний катод, 2 – подача газоподібного цезію або ртуті; 3 – циліндрична розрядна камера, 4 – магнітна котушка, 5 – напрям магнітного поля, 6 – циліндричний анод, 7 – передня стінка камери з отворами; 8 – прискорювальний електрод; 9 – нейтралізатор

Різновидом об’ємного джерела іонів є так зване дуоплазмотронне джерело (рис. 4.8), особливістю якого є наявність між анодом і катодом допоміжного електроду з невеликим отвором, де створюється стискувальне магнітне поле. Отриманий низьковольтний газовий розряд між катодом і анодом стискається в діафрагму. Це збільшує його щільність, що сприяє досягненню дуже високого ступеня іонізації.

Рис. 4.8. Схема дуоплазмотронного іонного джерела:

1 – подача газоподібної робочої речовини, 2 – магнітна котушка, 3 – катод, 4 – допоміжний електрод, 5 – анод, електрод, що прискорює; 7 – іонний струмінь

Колоїдні двигуни. Як наголошувалося вище, особливість цього типу двигунів полягає у використанні для прискорювання не іонів, а порівняно великих частинок (за масою в тисячі разів перевищують, наприклад, іони цезію). Джерелом прискорюваних частинок може служити набір капілярних металевих трубок (рис. 4.9), через які робоча рідина надходить до камери іонізації. Наявність електричного поля у вихідному перерізі капілярної трубки призводить до нестійкості рідкого струменя і, як результат, до розпадання його на окремі заряджені багатомолекулярні краплини. У свою чергу створюване електростатичне поле прискорює такі частинки, а наявність нейтралізатора створює нейтральний реактивний струмінь. Робочою речовиною колоїдних двигунів можуть бути рідкі метали, органічні рідини, розчин йодистого калію у гліцерині. Колоїдні двигуни (КЕРД) мають певні переваги і в деяких випадках досить перспективні. Можливий діапазон питомих імпульсів колоїдних ЕРД складає (3…20)∙10³ м/с.

Рис. 4.9. Схема колоїдного двигуна:

1 – бак з робочою рідиною, 2 – капілярні трубки, 3 – електрод прискорення; 4 – нейтралізатор, 5 – елемент капілярної трубки зі схемою розпилення рідини

Поиск по сайту: