Электрическая двигательная установка советского космического корабля ⇐ Васина Википедия

[Anonymous]

Комплекс, состоящий из комплекса электродвижительных систем, системы хранения и подачи рабочего тела (ШиП), системы автоматического управления (САУ) и системы электроснабжения (СЭС), называется электрической двигательной установкой (ЭДУ).

== Введение ==
Идея использования электрической энергии в реактивных двигателях для ускорения возникла почти в самом начале развития ракетной техники. Известно, что эту идею высказал К. Э. Циолковский. В 1916-1917 годах Р. Годдард провел первые эксперименты, а в 30-е годы 20 века в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих электромаршевых двигателей.

С самого начала предполагалось, что разделение источника энергии и ускоряемого вещества обеспечит высокую скорость истечения рабочего тела (ПМ), а также меньшую массу космического корабля (КА) за счет уменьшения в массе запасаемого рабочего тела. Действительно, по сравнению с другими ракетными двигателями, ЭРД позволяют значительно увеличить активный ресурс (АС) космического корабля, при этом значительно уменьшая массу двигательной установки (ДС), что, соответственно, позволяет увеличить полезной нагрузки или улучшить массогабаритные характеристики самого космического корабля.

Расчеты показывают, что использование электродвижения позволит сократить продолжительность полетов к далеким планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полеты возможными) или при той же продолжительности полета увеличить полезную нагрузку.

С середины 1960-х годов в СССР и США начались полномасштабные испытания электромаршевых двигателей, а в начале 1970-х годов электромаршевые двигатели стали использовать в качестве штатных двигательных установок.

В настоящее время электрические двигательные установки широко используются как в двигательных установках спутников Земли, так и в двигательных установках межпланетных космических кораблей.

== Классификация электродвижителей ==
Классификация электродвижений не установлена, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать электродвижения по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

электротермические ракетные двигатели (ЭТР);

электростатические двигатели (ID, SPD);

сильноточные (электромагнитные, магнитодинамические) двигатели;

импульсные двигатели.
Файл:EPS_typep_classification.svg|right|thumb|480x480px|Принятая на русскоязычной литературе классификация электроракетных двигателей
ЭТД, в свою очередь, делятся на двигатели электронагревательные (ЭНД) и электродуговые (ЭДА).

Электростатические двигатели делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) — ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и расширенной (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые обычно называют стационарными плазменными двигателями (СПД), также встречается (все реже) название – линейный двигатель Холла (ЛРД), в западной литературе его называют двигателем Холла. Ультразвуковые двигатели обычно называют двигателями с анодным ускорением (LAM).

К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) двигателям относятся двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, концевой двигатель Холла - THD).

Импульсные двигатели используют кинетическую энергию газов, образующихся при испарении твердого тела в электрическом разряде.

В качестве рабочего тела в электроракетных двигателях могут использоваться любые жидкости и газы, а также их смеси. Однако для каждого типа двигателя существуют свои рабочие жидкости, использование которых позволяет добиться наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак, для электростатических – ксенон, для сильноточных – литий, для импульсных – фторопласт.

Недостатком ксенона является его стоимость из-за небольшого годового производства (менее 10 тонн в год по всему миру), что заставляет исследователей искать другие РТ с аналогичными характеристиками, но менее дорогими. Аргон рассматривается как основной кандидат на замену. Это тоже инертный газ, но, в отличие от ксенона, он имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе (энергия, затрачиваемая на ионизацию единицы ускоренной массы, является одним из источников потерь эффективности).

== Краткие технические характеристики ==
ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижний предел скорости истечения примерно совпадает с верхним пределом скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3000 м/с. Верхний предел теоретически не ограничен (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для различных типов двигателей оптимальной скоростью выхлопа считается от 16 000 до 60 000 м/с.

В связи с тем, что процесс разгона в ЭРД происходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 1020 частиц/м³), плотность тяги достаточно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые и даже сотые доли г). Исключением из этого правила может быть ЭДД на малых космических аппаратах.

Электрическая мощность электрореактивных двигателей колеблется от сотен ватт до мегаватт.

Электромаршевые двигатели характеризуются КПД от 30 до 80%.

== История ==
В 1964 г. в системе ориентации советского космического корабля «Зонд-2» в течение 70 мин проработали 6 эрозионно-импульсных двигателей, работающих на фторопласте; образующиеся сгустки плазмы имели температуру ~30 000 К и вытекали со скоростью до 16 км/с (батарея конденсаторов имела емкость 100 мкФ, рабочее напряжение ~1 кВ). В США аналогичные испытания были проведены в 1968 году на космическом корабле ЛЕС-6. В 1961 году пинч-импульсная РД американской компании Republic Aviation (англ. Republic Aviation) развивала на стенде тягу 45 мН при скорости истечения 10-70 км/с.

1 октября 1966 года трехступенчатой ​​геофизической ракетой 1Я2ТА была запущена автоматическая ионосферная лаборатория «Янтарь-1» на высоту 400 км для исследования взаимодействия реактивной струи электроракетного двигателя (ЭРД), работающего на аргоне. с ионосферной плазмой. Экспериментальный плазменно-ионный электроракетный двигатель был впервые включен на высоте 160 км, и в ходе последующего полета было выполнено 11 циклов его работы. Была достигнута скорость истечения струи около 40 км/с. Лаборатория "Янтарь" достигла заданной высоты полета - 400 км, полет длился 10 минут, электромаршевый двигатель работал стабильно и развивал расчетную тягу в пять граммов силы. Научное сообщество узнало о достижениях советской науки из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовался азот. Скорость выхлопа была увеличена до 120 км/с. В 1966-1971 годах было выпущено четыре подобных аппарата (по другим данным, до 1970 года было выпущено шесть аппаратов).

Осенью 1970 года ПВРД успешно прошла испытания в реальном полете. В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские учёные — профессор Г. Гродзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин - доложили об испытаниях воздушной двигательной установки. Зафиксированная скорость струи достигла 140 км/с.

Теорологический спутник «Метеор» управлял двумя стационарными плазменными двигателями, разработанными Институтом атомной энергии им. И.В. Курчатова и ОКБ «Факел», каждое из которых при мощности ~0,4 кВт развивало тягу 18-23 мН и скорость истечения свыше 8 км/с. РД имели размеры 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас ПТ (сжатого ксенона) 2,4 кг. Во время одного из стартов один из двигателей проработал непрерывно 140 часов. Эта электрическая двигательная установка показана на рисунке.

Электрические ракетные двигатели также используются в миссии Dawn и в проекте BepiColombo.

=== Перспективы ===
Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами, они способны работать длительное время и совершать медленные полеты на большие расстояния. Наиболее совершенные сегодня электроракетные двигатели имеют характерную скорость ΔV около 100 км/с и при использовании ядерных источников энергии пригодны для полетов к внешним планетам Солнечной системы в «разумные сроки», как выразился Эдгар Шуейри, но слишком медленны для путешествий. к далеким звездам, также по мнению Мичио Каку, ионные и плазменные двигатели слишком маломощны для полета человека к звездам.

Если говорить о межзвездном полете, то для проекта «Дедал» рассматривался электроракетный двигатель с ядерной силовой установкой, но он был отвергнут из-за малой тяги, большого веса ядерной силовой установки и, как следствие, малого ускорения, из-за которому для достижения необходимой скорости потребуются столетия [источник не указан 171 день]. Однако Джеффри Лэндис (англ.) рассматривал возможность использования ионного движения для межзвёздных полётов с внешним питанием через лазер солнечных панелей космического корабля.

В настоящее время многие страны прорабатывают возможности создания пилотируемых межпланетных космических кораблей с электрическими двигательными установками. Существующие ЭРД не оптимальны для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на основе жидкометаллических РТ (висмут, литий, калий, цезий). ) электрической мощностью до 1 МВт, способные длительно работать при токах до 5-10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20-30 Н и скорость истечения 20-30 км/с с КПД 30% и более (в 1975 г. аналогичный РД был испытан в СССР на спутнике "Космос-728"). - РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развивал скорость истечения ~30 км/с).

Помимо России и США исследования и разработки электроэнергетических двигательных установок ведутся также в Великобритании, Германии, Франции, Японии и Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешные разработки — из Великобритании и Германии, особенно совместные); СПД и DAS (Япония, Франция); ETD (Франция). Эти двигатели в основном предназначены для спутников.

== Литература ==

* М.В.Ковальчук, В.И.Ильгисонис, В.М.Кулыгин. Плазменные двигатели и будущее космонавтики // Природа: журнал. — 2017. — № 12 (1228). — С. 33—44.
* ''Эдгар Чуэйри''. [http://alfven.princeton.edu/papers/sciam2009.pdf Новый рассвет электрической ракеты] // «В мире науки» № 5, 2009, стр. 34-42.
*   Архивная копия от 20 февраля 2015 г. на Wayback Machine
* Ракета Электрический двигатель — статья из Большой советской энциклопедии.
* [http://martiantime.narod.ru/Base/encyclepedia.htm Электрический ракетный двигатель] // энциклопедия «Космонавтика», под ред. Глушко В. П., 1985 — достаточно обоснованный материал о различных типах ЭРД
* Журнал «Космические исследования», том XII, т.3, стр. 461
* * ''Глибицкий М. М.'' Системы питания и управления электрическими ракетными двигателями. — М., Машиностроение, 1981. — 136 с.

== Примечания ==