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 электростатических (или ионных) нагревание рабочего тела может быть незначительным или совсем отсутствовать, сначала происходит ионизация рабочего тела каким-либо способом, а потом уже поток ионов разгоняется в электростатическом поле до скоростей десятки и сотни км/с.

Тяга двигателя в случае постоянного расхода равна

где f(v,θ) - функция распределения скоростей частиц рабочего вещества по величине и направлению.

Условие нормирования для функции f(v,θ) имеет вид

Эффективная скорость истечения

Считаем, что расход рабочего вещества постоянен во времени m = соnst. В литературе по ракетным двигателям термин "эффективная скорость истечения" часто заменяют другим - удельным импульсом:

Для сравнительной оценки различных ЭРД важна также плотность тяги, иными словами, тяга F, отнесенная к площади поперечного сечения S двигателя в зоне истечения рабочего вещества:

Эффективность ЭРД как преобразователя подводимой электрической энергии в энергию рабочего вещества определяется двумя КПД -энергетическим η_эн и тяговым η_т. Энергетический КПД равен

где N_о — мощность, подводимая к двигателю; - среднеквадратичная скорость рабочего вещества;

Часть подводимой к двигателю мощности θ = 1 - η_эн выделяется в виде тепловой энергии в элементах его конструкции и в условиях космического полета должна быть отведена от них в окружающее пространство излучением.

Тяговым коэффициентом полезного действия η_т называют отношение реактивной мощности рабочего вещества N_p, выраженной через эффективную скорость истечения, к мощности N_o:

Наряду с тяговым КПД для определения степени совершенства ЭРД нередко используется так называемая цена тяги

Нетрудно убедиться, что цена тяги связана с тяговым КПД и эффективной скоростью соотношением

Необходимость введения двух различных КПД η_эн и η_т связана с тем, что в общем случае частицы рабочего вещества, покидающие двигатель, имеют некоторый разброс скоростей по величине и направлению. Поэтому соотношением

определяется, насколько эффективно подводимая к двигателю и передаваемая рабочему веществу мощность используется для создания, тяги. Параметр е можно называть тяговой эффективностью ЭРД.

Если, например, истечение рабочего вещества из двигателя происходит изотропно внутри конуса с полярным углом 1?, причем все частицы внутри этого конуса имеют одинаковые по величине скорости, то

 

Сформулируем основные отличительные особенности ЭРД как самостоятельного класса космических двигателей:

- разделение источника энергии и рабочего вещества,

- возможность получения высоких скоростей истечения,

- малая величина ускорений,

- длительное время перелета при использовании ЭРД в качестве маршевых двигателей,

- оптимальная скорость истечения.

В этом предельном случае приобретает физический смысл коэффициента использования массы рабочего вещества, равного отношению расхода ионов к полному расходу рабочего вещества.