Электрический ракетный двигатель, электрореактивный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки (обычно аккумуляторные батареи). Идею создания ЭРД впервые высказал в 1911 г. К.Э. Циолковский. Сущность её в том, что заряженные частицы (например, ионы) можно разгонять до очень высоких скоростей с помощью электрического поля. Это позволяет намного повысить скорость истечения вещества из сопла реактивного двигателя (определяющую эффективность двигателя) по сравнению с обычными ракетами, напрямую использующими энергию химических реакций. В 1916-1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты с ЭРД, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В.П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД. Начиная с середины шестидесятых годов в СССР и США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 70-х годов ЭРД стали использоваться как штатные.

 

На рисунке 1 приведена общая схема омического ЭРД - разновидности ЭТРД. На ней приняты следующие обозначения: 1 - сопло; 2 - рабочее тело; 3 - электропитание; 4 - электроизоляционная проставка; 5 - нагревательный элемент (камера нагрева); 6 - тепловой экран; 7 - корпус.  В омических ЭРД используется конвективный поверхностный нагрев рабочего тела, которое обтекает электрические элементы сопротивления, нагреваемые, в свою очередь, за счёт выделяющейся в них джоулевой теплоты. Нагревательные элементы имеют вид трубок, пластин или стержней, изготовленных из тугоплавких металлов (вольфрам, рений) и сплавов. Омические ЭРД могут работать на любом рабочем теле (включая биоотходы), питаясь практически от любого источника тока (постоянного или переменного). Они просты по устройству, экономичны (кпд достигает 80%), надёжно работают в течение сотен часов, допуская многократное включение и широкое регулирование по тяге. Однако ограниченная жаростойкость твёрдых нагревательных элементов лимитирует нагрев рабочего тела в омических РД 2500—3000 К, что соответствует максимальному удельному импульсу 8500—9000 м/с (при работе на водороде).

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/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютонов. Для ЭРД характерны размеры ~ 0,1 м и масса порядка нескольких кг.

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.

 

Электрореактивные двигательные установки (ЭРДУ) находят в последние годы все большее применение на борту космических аппаратов (КА). Это связано, с одной стороны, с прогрессом в развитии средств бортовой энергетики, а, с другой стороны, с усложнением решаемых в космосе задач. Такие несомненные достоинства, как высокий уровень выходных параметров (например, удельный импульс ЭРДУ может быть на порядок выше, чем у традиционных ЖРД малой тяги), малые весовые и габаритные характеристики, легкость управления делают перспективным реальное применение ЭРДУ.

Прогнозы свидетельствуют об увеличении в будущем доли небольших КА научно-технического и коммерческого назначения. Данное обстоятельство является результатом быстрого прогресса в области миниатюризации бортового электронного оборудования и стимулирует развитие электрореактивных двигателей (ЭРД) малой мощности (100-300 Вт). Среди достоинств ЭРД малой мощности помимо малых весовых и габаритных характеристик, а также низкого уровня потребляемой мощности следует отметить высокое значение соотношения поверхность/объем, обеспечивающее большую эффективность использования поверхности КА.

Среди электрореактивных двигателей малой мощности холловские двигатели являются наиболее перспективными.

Принцип действия холловских двигателей основан на ионизации и ускорении атомов рабочего газа в скрещенных EH полях. Нейтрализация ионного потока осуществляется с помощью катода-компенсатора, представляющего собой полый катод. Ионизация газового потока производится электронами, движущимися от катода к аноду двигателя по сложным квазизамкнутым циклическим траекториям. Конструктивная простота, легкость управления, высокий уровень выходных характеристик позволили холловским двигателям занять определенное место в структуре бортового оборудования.

На рисунке 1 показан общий вид импульсного, так называемого „пинчевого” ЭРД, разработанного в США. Каждый импульс реактивной струи получает энергию от разряда одного из двенадцати конденсаторов, окружающих на рисунке расположенное в центре сопло. У этой модели скорость реактивной струи на выходе сопла достигла 70 км/с (скорость газов на выходе сопел обычных ракет, сжигающих химическое топливо, обычно не превышает 5 км/с).

Конечно, для межзвёздного корабля нужны иные модели двигателей – намного более мощные, надёжные и эффективные, с более высокими скоростями истечения вещества. В конструкциях сегодняшних двигателей улучшение параметров лимитировано длиной траектории разгона ионов и мощностью энергетической установки, т.е. ограничениями, вполне преодолимыми у звездолёта.

Создание звездолётных ЭРД – сегодня уже задача не столько научная, сколько инженерная. В нескольких вариантах разработок опыты подтвердили возможность разгона вещества реактивной струи до скоростей, близких к скорости света.