Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница

О системе

Технические требования

Синтез

Обучающий модуль

Справка по системе

Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов

Механизмы ускорения в плазменных ЭРД.
Механизмы ускорения в плазменных электрических ракетных двигателях.

Описание

 

Электрический ракетный двигатель, электроракетный 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.
Одной из разновидностей ЭРД является электромагнитный (сильноточный, магнитодинамический) или плазменный ракетный двигатель. Принциапиальная схема такого двигателя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема плазменного ЭРД.
К таким двигателям относят двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, торцевой холловский двигатель, ТХД). В плазменном ЭРД рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещённых электрическом и магнитном 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.
Ток в плазме создаётся либо с помощью введённых в неё электродов, либо индуцируется в ней переменным во времени магнитным полем; в свою очередь, магнитное поле может накладываться на плазму извне (ЭРД с внешним магнитным полем) либо индуцироваться пропускаемым через неё током (ЭРД с собственным магнитным полем).
По режиму работы различают стационарные и импульсные ЭРД. Основной разновидностью стационарных ЭРД, которые могут работать непрерывно, являются магнитогидродинамические (МГД-) двигатели. Разгон плазмы в них производится обычно в прямоугольном канале, две противоположные стенки которого являются электродами (катодом и анодом), а две другие — электроизоляторами. Между электродами создаётся электрическое поле, под влиянием которого внутри плазмы возбуждается электрический ток. Одновременно внешняя магнитная система, полюса которой находятся со стороны электроизоляторов, создаёт в ускорительном канале магнитное поле, ориентированное перпендикулярно электрическому; поэтому такие ЭРД называют ещё двигателями с взаимно перпендикулярными, или скрещёнными электрическим и магнитным полями. Возникающая в плазме ускоряющая сила направлена вдоль канала согласно известному правилу «левой руки». Ускорительный канал может иметь постоянное сечение, но чаще он несколько расширяется по длине наподобие реактивного сопла, что позволяет осуществить дополнительно газодинамический разгон рабочего тела. Достижение требуемого ресурса МГД-двигателей является трудной задачей ввиду больших тепловых нагрузок на стенки канала.

 

Ключевые слова

 

Области техники и экономики

 

Применение эффекта

Одним из наиболее простых электрореактивных двигателей является RIT-10, разработанный в ФРГ в начале семидесятых годов. Двигатель представляет собой (рис. 1) кварцевый цилиндр (1) с днищем (подобно стакану), обхваченный индуктором (2) высокочастотного электромагнитного поля с частотой в пределах 10-300 МГц. Через днище и электрический электрод – анодную сетку (3) вводится водород из баллона (4), который сразу же попадает в высокочастотное электромагнитное поле индуктора, в результате образуется плазма. В ней под действием высокой частоты атомы газа распадаются на ионы и электроны, а последние благодаря отрицательному заряду вынужденно возвращаются назад на анодную сетку (3), заряженную положительно от источника тока. Ионы водорода, имея положительный заряд, разгоняются электрическим полем источника тока к отрицательному электроду катода (5) и в силу большой массы (по сравнению с электроном) и скорости проскакивают сетку (3), которая является соплом истечения, где и вылетают струей в космическое пространство. Вот здесь у сопла, немного сбоку, для компенсации положительного заряда струи обычно ставится нейтрализатор в виде источника электронов, который эмитирует их в направлении положительной струи.
ЭРД RIT-10
Рис.1

 

Реализации эффекта

Конструктивно прост коаксиальный МГД-двигатель, содержащий концентрически расположенные, разделённые изоляционной проставкой катод и анод, между которыми возбуждается электрический разряд. Ток, протекающий по центральному электроду, создаёт в плазме собственное магнитное поле азимутальной конфигурации, то есть круговой направленности в плоскости, перпендикулярной оси ускорителя (по правилу "буравчика"). Взаимодействие этого магнитного поля с радиально направленным током разряда вызывает появление в плазме осевой электромагнитной ускоряющей силы. Последняя становится существенной лишь при силе тока в системе порядка 3 — 5 кА, ввиду чего коаксиальный МГД-двигатель называют также сильноточным плазменным ускорителем.  Поскольку в коаксиальном МГД-двигателе наибольшее ускорение плазмы происходит в начальной части канала, в зоне центрального электрода (здесь сила Ампера максимальна), эффективным является торцевой ЭРД, отличающийся малой длиной; аноду обычно придают форму реактивного сопла. Простота конструкции и компактность коаксиальных МГД-двигателей в значительной степени определяют интерес к ним. Однако рабочие токи большой силы осложняют задачу обеспечения длительного ресурса.

Своеобразны холловские ускорители, в которых ускоряющая электромагнитная сила возникает в результате взаимодействия внешнего магнитного поля с токами Холла — вторичными токами, возникающими в любой токонесущей среде, помещённой в поперечное (по отношению к первичному току) магнитное поле. Эти токи становятся заметными лишь при снижении давления плазмы до 1 — 0,01 Па. Рабочим телом в холловских ЭРД, как правило, являются пары щелочного металла. В образовании реактивной тяги большую роль играют ионы; в то же время из-за низкого давления среды мала степень увлечения нейтральных атомов и молекул. По особенностям конструкции, рабочей зоны и рабочего режима различают холловские ускорители с анодным слоем, линейные и торцевые. Среди электрореактивных двигателей малой мощности холловские двигатели являются наиболее перспективными.  Конструктивная простота, легкость управления, высокий уровень выходных характеристик позволили холловским двигателям занять определенное место в структуре бортового оборудования.

 

Литература

1. Физическая энциклопедия. / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Большая Российская энциклопедия. 1998.

2. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение. 1989.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина