Электрический ракетный двигатель (ЭРД) представляет собой особый тип двигателя для космических аппаратов, в котором для создания реактивной тяги используется электрическая энергия. Эта энергия поступает от бортовой энергоустановки корабля или спутника. Основная область применения таких двигателей — выполнение точных маневров: коррекция орбиты и ориентация аппарата в пространстве. Полноценная система, включающая сам двигатель, систему хранения и подачи рабочего тела (топлива), блок автоматического управления и источник электропитания, носит название электроракетной двигательной установки (ЭРДУ).
Историческая справка
Идея применения электричества для создания тяги в ракетах была впервые высказана Константином Циолковским. Практические эксперименты начались в 1916-1917 годах благодаря работе американского ученого Роберта Годдарда. Уже в 1930-х годах в Советском Союзе под руководством выдающегося инженера Валентина Глушко был разработан и создан один из первых в мире рабочих прототипов электрического ракетного двигателя.
Преимущества и возможности
По сравнению с традиционными химическими ракетными двигателями, электрические обладают рядом ключевых преимуществ. Они позволяют значительно увеличить срок активного существования космического аппарата на орбите. При этом масса двигательной установки снижается, что дает возможность увеличить полезную нагрузку или топливный запас. Использование ЭРД открывает новые горизонты для межпланетных перелетов: с их помощью можно сократить время полета к дальним планетам Солнечной системы или сделать достижимыми миссии, которые ранее были невозможны из-за ограничений по топливу.
Активные испытания ЭРД велись в СССР и США в середине 1960-х годов, а к 1970-м они начали применяться в качестве штатных систем на некоторых космических аппаратах.
Классификация и принципы работы
В российской практике электрические ракетные двигатели классифицируют по механизму, с помощью которого происходит ускорение частиц рабочего тела. Выделяют четыре основных типа:
- Электротермические (электронагревные и электродуговые): рабочее тело нагревается электрическим током и расширяется, создавая тягу.
- Электростатические (ионные, коллоидные, стационарные плазменные двигатели): тяга создается за счет ускорения заряженных частиц (ионов) в электростатическом поле.
- Сильноточные (электромагнитные): ускорение плазмы происходит под действием электромагнитных сил (силы Лоренца).
- Импульсные: работают на принциме периодического испарения и ионизации твердого рабочего тела электрическими разрядами.
Рабочие тела и характеристики
В качестве рабочего тела в ЭРД могут использоваться различные газы, жидкости и их смеси, но для каждого типа двигателя есть оптимальные варианты. Например, в электротермических часто применяют аммиак, в электростатических — ксенон, в сильноточных — литий, а для импульсных эффективным топливом является фторопласт.
Главное преимущество ЭРД — чрезвычайно высокая скорость истечения реактивной струи (удельный импульс), которая в современных моделях составляет от 16 до 60 км/с, а в перспективных разработках может достигать 200 км/с. Теоретический предел этого показателя приближается к скорости света. Высокий удельный импульс означает большой КПД по расходу рабочего тела — для выполнения миссии его нужно гораздо меньше, чем химическому двигателю.
Однако у ЭРД есть и существенные недостатки. Основной из них — очень малая плотность тяги, то есть они создают небольшую силу тяги (от миллиньютонов до нескольких ньютонов) и не могут использоваться для старта с Земли. Их работа возможна только в условиях глубокого вакуума. Кроме того, часть энергии тратится на ионизацию рабочего тела, что снижает общий КПД установки, который обычно составляет 30-60%. Мощность современных бортовых ЭРД относительно невелика — от 800 до 2000 Вт, хотя ведутся разработки мегаваттных систем.
Применение и перспективы
В ближайшее десятилетие основными задачами для ЭРД останутся коррекция и поддержание орбит спутников (как на геостационарной, так и на низкой околоземной орбите), а также перелет между орбитами. Замена традиционного жидкостного двигателя-корректора на электрический позволяет снизить массу типового спутника связи на 15%, а при увеличении срока его службы — до 40%.
Перспективы развития электрических ракетных двигателей связаны с увеличением их мощности до сотен киловатт и мегаватт, дальнейшим ростом удельного импульса, а также с переходом на более доступные и дешевые рабочие тела, такие как аргон, азот или литий. Это откроет путь к более масштабным межпланетным миссиям и созданию эффективных космических буксиров.