Электрический ракетный двигатель (ЭРД), ракетный двигатель (РД), в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата (обычно солнечные или аккумуляторные батареи). Достоинство ЭРД – в их высоком удельном импульсе (удельной тяге) благодаря большой скорости истечения рабочего тела (РТ), достигающей 10-100 км/сек. Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей: электротермические ракетные двигатели (ЭТРД); электростатические ракетные двигатели (ЭСРД); сильноточные (электромагнитные) ракетные двигатели (ЭМРД); импульсные ракетные двигатели (ИРД). Каждая из этих групп делится на подгруппы. На рис. 1 приведена общая блок-схема классификации ЭРД.

ЭТРД подразделяются на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели. ЭСРД делятся на ионные (в т.ч. 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 сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) 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 ЭТРД традиционно используется аммиак, для ЭСРД – ксенон или цезий, для сильноточных – литий, для импульсных – фторопласт.

В ЭТРД электрическая энергия применяется для нагрева рабочего тела (РТ) с целью обращения его в газ с температурой 1000—5000К; газ, истекая из реактивного сопла, создаёт тягу. В ЭСРД, 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 ЭМРД (плазменном) РТ является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещённых электрическом 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.

 

К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) 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.

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 1020 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 2000 Вт.

ЭРД характеризуются не очень высоким КПД — от 30 до 60%.

В электротермических РД электрическая энергия используется для нагрева РТ с целью обращения его в газ с температурой 1000-5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В качестве РТ используются вещества с малой молекулярной массой (например, водород, аммиак, гидразин), нагреваемые при помощи поверхностных нагревателей, дугового разряда или (в экспериментальных ЭРД) высокочастотного электромагнитного поля. Удельный импульс электротермического РД составляет 1,5-10 (сек)/кг, плотность тяги (отношение тяги к поперечному сечению реактивной струи) 0,3-3 Мн/м2, время работы от нескольких часов до нескольких сотен часов.

В электростатическом (ионном) РД вначале производится ионизация РТ, после чего ионы и электроны раздельно ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов), а затем вновь перемешиваются для нейтрализации объёмного заряда и, истекая, создают тягу. Различают электростатические РД с поверхностной ионизацией и объёмной ионизацией (электронным ударом); в качестве РТ во-первых используется легко ионизируемый цезий, во вторых – любые вещества с большой атомной массой (например, висмут). Вместо ионов в электростатических РД могут ускоряться заряженные (например, за счёт контактной разности потенциалов при отрыве капли от поверхности электрода) микроскопические капли. Такие ЭРД называются коллоидными. Значение ускоряющего потенциала составляет для них около 10-20 кВ (для ионных РД – 2-7 кВ) при плотности тока в несколько мА/см2. Удельный импульс электростатических РД 15-100 (сек)/кг, плотность тяги 30-50 н/м2, время работы – 1 год и более.