Относительная роль различных механизмов ускорения плазмы оценивается с помощью безразмерных критериев подобия. Правильный учет условий и факторов, определяющих основные физические особенности режима ускорения, необходим для выбора адекватной теоретической модели рабочих процессов в ЭРД.

Обычное газодинамическое приближение применимо, когда выполняется критерий Кнудсена

Кn = λ/L <<1,   (1)

где λ - длина свободного пробега; L — протяженность зоны ускорения.

С помощью критерия (1) можно ответить, например, на такой важный вопрос: какова эффективность увеличения ионным потоком нейтральной компоненты плазмы?

Сравним пролетное время  τ_o ~ L/v с временем обмена энергией между ионами и нейтральными атомами того же сорта:

(2)

где n_а - концентрация атомов; Q_п - эффективное сечение перезарядки; Q_iа - эффективное сечение упругих столкновений ионов с нейтральными атомами.

Ионный поток будет увлекать нейтральную компоненту при условии

τ_r/τ_o < 1.  (3)

Оценим скорость другого важного процесса в плазме - скорость установления максвелловского распределения для электронной компоненты. Этот вопрос важен для исследования процессов ионизации плазмы, а также для определения характера проводимости. В однократно ионизированной плазме среднее время электрон-электронных столкновений

   (3)

где W_е - средняя энергия электронов, эВ; n - концентрация плазмы, см^-3.

Считая, что для установления максвелловского распределения для электронной компоненты достаточно нескольких столкновений, получаем условие максвеллизации электронов

   (4)

где τ* - время пребывания электрона в ускорителе.

При низких плотностях плазмы возможен другой процесс максвеллизации электронов - их отражение от электрических слоев, существующих в плазме, например, от дебаевского пристеночного слоя.

Пусть критерий Лармора для ионов и электронов удовлетворяет условию

  (5)

где R_ci и R_се — ларморовские (циклотронные) радиусы для ионов и электронов, равные

  (6)

Здесь ω_i и ω_е - циклотронная частота ионов и электронов; — соответствующие компоненты скорости частиц в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Также считаем, что параметр Холла для электронов и для ионов

(7)

Между параметрами Кнудсена, Лармора и Холла существует простая связь:

Kn = βLa

 

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.

Важной характеристикой ЭРД являются параметры электропитания. В связи с тем, что для большинства существующих и перспективных бортовых энергоустановок характерно генерирование постоянного тока сравнительно низкого напряжения (единицы – десятки В) и большой силы (до сотен и тысяч А), проще всего вопрос электропитания решается в электротермических РД, являющихся преимущественно низковольтными и сильноточными. Эти РД могут питаться также от источника переменного тока. Наибольшие трудности с электропитанием возникают при использовании электростатических РД, для работы которых необходим постоянный ток высокого (до 30–50 кВ) напряжения, хотя и малой силы.

Электрический ракетный двигатель, электроракетный двигатель (ЭРД) – ракетный двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки. По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические ракетные двигатели, электростатические ракетные двигатели и электромагнитные ракетные двигатели. В электротермическом РД электрическая энергия применяется для нагрева рабочего тела (РТ) с целью обращения его в газ с температурой 1000–5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В электростатическом РД, 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 электромагнитном РД (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.