Электрический ракетный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию частиц. Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель. Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела, системы автоматического управления, системы электропитания, называется электроракетной двигательной установкой.

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей: электротермические ракетные двигатели (ЭТД); электростатические двигатели (ИД, СПД); сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели; импульсные двигатели.

Ускоряющая система ионных двигателей обеспечивает формирование ускоренных ионных пучков, то есть их электростатическую фокусировку и разгон до требуемых скоростей. Такая ускоряющая система называется ионно-оптической.

Трехэлектродная ионно-оптическая система ионного двигателя с цилиндрическим источником ионов обычно выполняется в виде слегка выгнутых пластин с гексагональными рядами круглых отверстий.

В ионных двигателях с пористыми контактными источниками формирующим электродом является нагретый пористый ионизатор (рис.1). Его внешняя поверхность обычно образуется чередованием плоских участков, лишенных пор, и пористых цилиндрических канавок. Ускоряющий и замедляющий электроды располагаются против плоских участков, лишенных пор.

Из ускоряющей системы ионного двигателя в окружающее проста ранство истекают интенсивные пучки ускоренных ионов. В условиях космического пространства (глубокий вакуум, отсутствие внешние электрических полей) непрерывное истечение ионов невозможно без компенсации ионного тока равным ему электронным током. Такая компенсация необходима для сохранения электрического потенциала космического аппарата близким к потенциалу окружающего пространства. Если ионный ток превосходит электронный, то потенциал космического аппарата быстро нарастает. Рассмотрим, например, космический аппарат, представляющий собой шар радиусом 1 м, электрической емкостью около 10^-10 Ф. Пусть ионный ток, истекающий в окружающее пространство, превышает электронный всего лишь на 0,001 А. Нетрудно подсчитать, что уже через 0,01 с космический аппарат зарядится отрицательным потенциалом 10⁵ В относительно окружающего пространства, Возникающее при этом тормозящее ионы электрическое поле вызовет их обратное движение к аппарату.

Однако для нормальной работы ионных двигателей одной только токовой компенсации недостаточно. Необходимо, чтобы электроны вводились в истекающие ионные пучки на выходе из ионно-оптической системы и компенсировали их пространственный заряд. В пучке с пространственным зарядом, распространяющимся в вакууме при отсутствии внешних полей, возникают локальные электрические поля, приводящие к замедлению ионов и образованию областей с анодным потенциалом (виртуальных анодов), нарушающих истечение ионов в окружающее пространство.

Для компенсации тока и пространственного заряда истекающих ионов служат источники электронов — нейтрализаторы. Наиболее эффективными являются плазменные нейтрализаторы и нейтрализаторы на основе полого катода, размещаемые на выходе из ионно-оптической системы.

 

На рис. 1а изображена ионно-оптическая система экспериментального ионного двигателя с газоразрядным источником. Она состоит из трех электродов: формирующего, ускоряющего и замедляющего, каждый из которых выполнен в виде сетки из металлических прутков, закрепленных своими концами в кварцевых державках. Ускоряющая система непосредственно крепится к ионному источнику, так что формирующий электрод является его передней стенкой и находится под катодным потенциалом источника. Распределение потенциала в ионно-оптической системе схематически изображено на рис. 1б. Ионный источник и формирующий электрод поддерживаются под высоким положительным потенциалом относительно замедляющего электрода, потенциал которого φ = 0. На ускоряющий электрод подается отрицательный потенциал относительно электрода 3. В результате ионный пучок в пространстве между электродами 1 и 2 ускоряется, а в пространстве между электродами 2 и 3 замедляется. Такая система ускорение - замедление позволяет наилучшим образом обеспечить возможно большую плотность ионного тока при заданной скорости истечения ионов. В трехэлектродной системе плотность ионного тока определяется разностью потенциалов между формирующим и ускоряющим электродами (Ф₁ + Ф₂), а скорость истечения ионов - разностью потенциалов между формирующим и замедляющим электродами (Ф₁ — Ф₃ = Ф₁, так как Ф₃ = 0).

В контактных ионных источниках (рис. 1) ионы образуются за счет поверхностной ионизации при контакте атомов рабочего вещества с нагретой поверхностью.

Наиболее простым является ионный источник со сплошным ионизатором (рис. 1а), в котором атомы рабочего вещества подаются к нагретой поверхности со стороны ускоряющей системы, навстречу потоку ускоренных ионов, что ограничивает возможности формирования и фокусировки ионных пучков. Поэтому ионные источники со сплошным ионизатором в ионных двигателях не применяются. Для ионных двигателей наиболее приемлемы контактные ионные источники с пористым ионизатором (рис. 1б), в которых атомы рабочего вещества поступают в ионизатор с тыльной стороны и диффундируют через поры к поверхности, обращенной к ускоряющей системе.