Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.
Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.
Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.
Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.
Химические ракетные двигатели (ХРД)
Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.
История создания
Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.
Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.
Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.
Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей
Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.
В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.
Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения
Достоинствами твердотопливных РД являются:
- простота конструкции;
- сравнительная безопасность в плане экологии;
- невысокая цена;
- надежность.
Недостатки РДТТ:
- ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
- невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
- небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.
Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).
Достоинства жидкостных РД:
- высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
- возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
- меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.
Недостатки ЖРД:
- сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
- в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.
Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.
Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)
Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.
История создания
Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.
Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.
Устройство и принцип действия
Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.
Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.
Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.
Преимущества и недостатки ЯРД
Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.
Электрические ракетные двигатели (ЭРД)
Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.
История создания
Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.
Устройство и принцип работы
Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.
Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.
Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.
Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.
Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования
Среди преимуществ ЭРД:
- высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
- малый расход топлива (рабочего тела).
Недостатки:
- высокий уровень потребления электроэнергии;
- сложность конструкции;
- небольшая тяга.
На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.
ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
(электрореактивные двигатели, ЭРД)-космич. реактивные двигатели, в к-рых
направленное движение реактивной струи создаётся за счёт электрич. энергии.
Электроракетная двигательная установка (ЭРДУ) включает собственно ЭРД, систему
подачи и хранения рабочего вещества и систему, преобразующую электрич. параметры
источника электроэнергии к номинальным для ЭРД значениям и управляющую функционированием
ЭРД. ЭРД - двигатели малой тяги, действующие в течение длит. времени (годы)
на борту космич. летательного аппарата (КЛА) в условиях невесомости либо очень
малых гравитац. полей. С помощью ЭРД параметры траектории полёта КЛА и его ориентация
в пространстве могут поддерживаться с высокой степенью точности либо изменяться
в заданном диапазоне. При эл--магн. либо эл--статич. ускорении скорость истечения
реактивной струи в ЭРД значительно выше, чем в жидкостных или твердо-топливных
ракетных двигателях; это даёт выигрыш в полезной нагрузке КЛА. Однако ЭРД требуют
наличия источника электроэнергии, в то время как в обычных ракетных двигателях
носителем энергии являются компоненты топлива (горючее и окислитель). В семейство
ЭРД входят плазменные двигатели
(ПД), эл--хим. двигатели (ЭХД) и ионные
двигатели (ИД).
Электрохимические двигатели
. В ЭХД электроэнергия используется для нагрева и хим. разложения рабочего
вещества. ЭХД подразделяются на электронагревные (ЭНД), термокаталитические
(ТКД) и гибридные (ГД) двигатели. В ЭНД рабочее вещество (водород, аммиак) нагревается
электронагревателем и затем истекает со сверхзвуковой скоростью через сопло
(рис. 1). В ТКД электроэнергией нагревается катализатор (до темп-ры ~500 o C),
химически разлагающий рабочее вещество (аммиак, гидразин); далее продукты разложения
истекают через сопло. В ГД происходит сначала разложение рабочего вещества,
потом подогрев продуктов разложения и их истечение. Конструкция ЭХД и используемые
конструкц. материалы рассчитаны на включение на борту КЛА в течение 7-10 лет
при числе запусков до 10 5 , длительности непрерывной работы ~ 10-100
ч и отклонении тяговых характеристик от номинала не более 5-10%. Уровень потребляемой
ЭХД электрич. мощности - десятки Вт, диапазон тяг - 0,01 -10 H. ЭХД имеют очень
низкую для ЭРД энергетич. цену тяги ~3 кВт/Н, большую скорость истечения струи
(3 км/с) за счёт
малого молекулярного веса рабочего вещества и продуктов его разложения. Гидразиновый
ГД с тягой 0,44 H успешно работал на спутнике связи "Интел-сат-5";
аммиачный ЭНД с тягой 0,15 H входит в состав штатной ЭРДУ спутников серии "Метеор",
к-рая корректирует орбиту и ориентацию спутника.
Рис. 1. Схема электронагревного
двигателя: 1 -пористый
электронагреватель;
2-тепловой экран; 3 - кожух; 4
- сопло
.
Ионные двигатели
. В
ИД положит. ионы рабочего вещества ускоряются в эл--статич. поле. ИД (рис. 2)
состоит из эмиттера ионов 4, ускоряющего электрода 5 с отверстиями (щелями),
сквозь к-рые проходят ускоренные ионы, и внеш. электрода 6 (экрана), в роли
к-рого обычно используют корпус ИД. Ускоряющий электрод находится под отрицат.
потенциалом (~10 3 -10 4 B) относительно эмиттера. Электрич.
ток и пространств. электрич. реактивной струи должны быть нулевыми, поэтому
выходящий ионный пучок нейтрализуется электронами, к-рые эмитирует нейтрализатор
7. Внеш. электрод находится под потенциалом, отрицательным относительно эмиттера
и положительным относительно ускоряющего электрода; положит. смещение потенциала
выбирается таким, чтобы сравнительно малоэнергичные электроны из нейтрализатора
запирались электрич. полем и не попадали в ускоряющий промежуток между эмиттером
и ускоряющим электродом. Энергия ускоренных ионов определяется разностью потенциалов
между эмиттером и внеш. электродом. Наличие положит. пространств. заряда в ускоряющем
промежутке ограничивает ионный ток из эмиттера. Осн. параметры ИД: скорость
истечения, тяговый кпд, энергетич. цена тяги (Вт/Н), энергетич. цена иона (эВ/ион)
- кол-во энергии, затрачиваемое на образование иона. Степень рабочего
вещества в ИД должна быть как можно выше(>0,90,95).
Рис. 2. Схема ионного
двигателя с объёмной ионизацией
конструкции
Г. Кауфмана: 1 - катод газоразрядной каме
ры;
2- анод; 3 -магнитная катушка; 4-эмитирующий
электрод;
5 - ускоряющий электрод; 6 - внешний электрод; 7 - нейтрализатор
.
В зависимости от типа эмиттера
ИД подразделяются на двигатели с поверхностной ионизацией (ИДПИ), коллоидные
двигатели (КД) и двигатели с объёмной ионизацией (ИДОИ). В ИДПИ ионизация происходит
при пропускании паров рабочего вещества сквозь пористый эмиттер;
рабочего вещества должна быть меньше работы выхода материала эмиттера. Обычно
выбирается пара цезий (рабочее вещество) - вольфрам (эмиттер). Эмиттер подогревается
до темп-ры 1500 o K во избежание конденсации рабочего вещества. В
КД (существуют только лаб. прототипы) рабочее вещество (20%-ный раствор йодистого
калия в глицерине) распыляется через капилляры в виде положительно заряженных
микрокапель в ускоряющий промежуток; электрич. заряд микрокапель возникает в
процессе экстракции струек из капилляров в сильном электрич. поле и последующем
их распаде на капли. Источником ионов в ИДОИ является газоразрядная камера (ГРК),
в к-рой атомы рабочего вещества (паров металлов, инертных газов) ионизуются
электронным ударом в газовом разряде низкого давления [разряд между электродами
1 и 2 (рис. 2) либо безэлектродный СВЧ-разряд]; ионы из ГРК вытягиваются
в ускоряющий промежуток сквозь отверстия эмитирующего электрода-стенки ГРК,
образующего вместе с ускоряющим электродом ионно-оптич. систему (ИОС) для ускорения
и фокусировки ионов. Стенки ГРК, кроме эмитирующего электрода, магнитоизолированы
от плазмы. ИДОИ - наиб. разработанные с инженерн. и физ. точек зрения ИД, их
тяговый кпд ~70%, подтверждённый в наземных испытаниях ресурс работы доведён
до 2 · 10 4 ч. Ресурс работы ИД ограничивается эрозией ускоряющего
электрода вследствие его катодного распыления вторичными ионами, возникающими
в результате перезарядки быстрых ускоренных ионов на медленных нейтральных атомах
рабочего вещества. Энергетич. цены тяги и иона в ИД (за исключением КД) весьма
значительны (2·10 4 Вт/H,
250 эВ/ион). По этой причине ИД пока не используются в космосе в качестве рабочих
ЭРД (ЭХД, ПД), хотя они неоднократно испытывались на борту КЛА. Наиб. значительно
испытание по программе SERT-2 (1970, США); в состав ЭРДУ входили две ИДОИ конструкции
Г. Кауфмана (рабочее тело - ртуть, потребляемая мощность 860 Вт, кпд 68%, тяга
0,03 H), проработавшие без отказа непрерывно 3800 ч и 2011 ч соответственно
и возобновившие функционирование после длит. перерыва.
ПД по схеме плазменных
ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой зоной ускорения систематически
используется на КЛА, в особенности на геостационарных спутниках связи.
Лит.:
Гильзин К.
А., Электрические межпланетные корабли, 2 изд., M., 1970; Морозов А. И., Шубин
А. П., Космические электрореактивные двигатели, M., 1975; Гришин С. Д., Лесков
Л. В., Козлов H. П., Электрические ракетные двигатели, M., 1975.
Изобретение относится к электрореактивным двигателям. Изобретение представляет собой двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними. Шашка выполнена из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, например из титаната бария, и на одной ее стороне установлены анод и катод, а к другой стороне прикреплен проводник. Шашка может иметь форму диска с катодом и анодом, установленными коаксиально или диаметрально противоположно. Изобретение позволяет создать простой по конструкции импульсный электрический реактивный двигатель с высокими удельными параметрами. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия на твердофазном рабочем теле. Известны импульсные плазменные двигатели с системой подачи газообразного рабочего тела (например ксенон, аргон, водород) и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом политетрафторэтиленом (ПТФЭ) . Основным недостатком первого типа двигателей является сложная система импульсной строго дозируемой подачи рабочего тела вследствие трудности ее синхронизации с импульсами разрядного напряжения и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае (эрозионный тип, рабочее тело - ПТФЭ) удельные параметры имеют низкие значения, максимальный КПД не превышает 15% из-за преобладающего теплового механизма получения и ускорения плазмы электрического разряда. Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный электрический плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле (в том числе и ПТФЭ) с преобладающим электронно-детонационным типом пробоя (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анода) . Такой тип двигателя позволяет получать на рабочем теле ПТФЭ более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда источника плазмы. Наличие дуговой стадии разряда кроме того ведет к появлению неустойчивости процесса генерации плазмы на поверхности рабочего тела типа плазменных жгутов с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью и, как следствие, к закорачиванию межэлектродного промежутка по упомянутым каналам. В литературе описаны результаты исследований по незавершенному типу пробоя по поверхности диэлектрика на токах, реализуемых в момент зарядки конденсатора, содержащего диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости. На базе данного типа пробоя создан эффективный источник частиц (ионов или электронов) импульсного типа . Однако при оценке возможности использования его в составе импульсного ЭРД на базе ионной компоненты с частотой включения десятки-сотни герц возникают проблемы разрядки (деполяризации) диэлектрика, используемого в качестве рабочего тела, а также проблемы стойкости электрода-сетки, выполняющего роль экстрактора частиц, и проблемы нейтрализации ионов. Целью предлагаемого изобретения является создание простого по конструкции с частотой включений до 100 и более герц импульсного ЭРД для получения малой тяги за однократный разряд генератора, но с высокими удельными параметрами. Желаемый уровень тягового секундного импульса обеспечивается регулировкой частоты включения. Данная цель достигается тем, что в импульсном электрическом реактивном двигателе торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящем из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними, предлагается шашку рабочего тела выполнить из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и установить на одной стороне шашки анод и катод, а на другой стороне шашки установить или нанести проводник. Предпочтительным материалом для шашки рабочего тела является титанат бария, а наиболее конструктивной формой - форма диска. Анод и катод могут быть установлены коаксиально или диаметрально противоположно. Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 приведен вариант импульсного ЭРД с коаксиально расположенными анодом и катодом; на фиг.2 - вариант с анодом и катодом, установленными диаметрально противоположно. Предлагаемый двигатель состоит из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, например титаната бария с 1000. Такая шашка может иметь форму диска, на одну из сторон которого нанесен проводник 2 в виде тонкого слоя, например, методом напыления или в виде плотно прижатой к поверхности диэлектрика металлической пластины. На другой стороне шашки находятся анод 3 и катод 4, расположенные либо коаксиально (фиг.1), либо диаметрально противоположно (фиг. 2). В таком устройстве при подаче напряжения на анод и катод межэлектродное перекрытие диэлектрика происходит по поверхности диэлектрика и начинается с обоих электродов как результат зарядки двух последовательно соединенных конденсаторов, образованных системами "анод - диэлектрик - проводник" и "проводник - диэлектрик - катод". В результате имеем над поверхностью диэлектрика два плазменных факела (анодный и катодный), движущихся навстречу друг другу, при этом проводник 2 (токопроводящая пластина) устройства будет иметь плавающий потенциал, обусловленный характером протекания токов смещения через диэлектрик. В момент слияния анодного и катодного факелов происходит нейтрализация избыточного положительного заряда ионов, механизм образования которых обусловлен электронно-детонационным типом пробоя для анодного факела. Плазма, полученная после слияния двух факелов, приобретает дополнительное ускорение в режиме разрядки (деполяризации) и выделения запасенной в таком конденсаторе энергии по типу линейного ускорителя. Для реализации эффекта дополнительного ускорения высоту электродов (анода и катода) вдоль потока плазмы формируют, исходя из реального времени, требуемого на разрядку емкости конструкции ЭРД. Такая конструкция устройства и режим его работы позволяют создать импульсный ЭРД с высокими значениями параметров и большой частотой включений (макетный образец указанного типа ЭРД на базе доработанных стандартных высоковольтных (менее 10 кВ) конденсаторов типа КВИ-3 работает в НИИМАШе с частотой включений до 50 Гц). Для работы такого ЭРД необходим генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Длительность импульсов, подаваемых на электроды, определяется временем зарядки емкости конструкции ЭРД. Для устранения неустойчивостей типа плазменных жгутов длительность высоковольтного импульса с генератора не должна превышать длительности зарядки емкости конструкции ЭРД. Максимальная частота включений ЭРД определяется временем, требуемым на полный цикл по зарядке и разрядке емкости конструкции ЭРД. Размеры катодного и анодного плазменных факелов, движущихся навстречу друг другу, определяются скоростью перекрытия диэлектрика, зависящей от амплитуды напряжения, величины емкости конструкции, а также от времени задержки начала процесса генерации плазменных факелов. Это время задержки в свою очередь зависит от геометрических параметров зоны анод-диэлектрик, катод-диэлектрик, типа диэлектрика, площади проводника. Работает такой ЭРД следующим образом. При подаче на анод 3 и катод 4 высоковольтного импульса напряжения длительностью, соответствующей времени зарядки емкости конструкции ЭРД, генерируются два движущихся навстречу плазменных факела (анодный от анода и катодный - от катода). Анодный факел имеет избыточный положительный заряд ионов рабочего тела (применительно к такому диэлектрику как керамика титаната бария, это в основном ионы бария как наиболее легко ионизуемого элемента). Плазма катодного факела обусловлена генерацией электронов из катода и бомбардировкой ими поверхности диэлектрика. В момент встречи катодный факел нейтрализует анодный и происходит ускорение плазменного сгустка по типу линейного ускорителя в фазе разрядки емкости конструкции ЭРД через плазму. Следует отметить, что возникающие при сближении пламенных факелов зоны межфакельных пробоев строго не локализованы, то есть не "привязаны" к определенным местам на поверхности диэлектрика в процессе наработки большого числа импульсов. Указанный режим работы такого ЭРД будет способствовать получению высоких значений КПД и скоростей истечения плазмы. Существенной особенностью предлагаемого ЭРД является частотно-импульсный режим работы (с частотой до 100 Гц и более) с возможностью практически мгновенного набора и сброса тяги. Благодаря этой особенности и с учетом реально имеющейся на борту космического аппарата (КА) электрической мощности область эффективного применения двигательной установки (ДУ) на базе предлагаемого импульсного ЭРД может быть расширена, а именно:
Поддержание геостационарных КА в направлении север - юг, восток - запад;
Компенсация аэродинамического сопротивления КА;
Смена орбит и увод отработавших или отказавших КА в заданную область. Источники информации
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1975, с. 198-223. 2. Фаворский О. Н. , Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. - М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978, с. 170-173. 3. Л. Кейвни (перевод с английского под ред. А.С. Коротеева). Космические двигатели - состояние и перспективы. - М., 1988, с. 186-193. 4. Патент на изобретение 2146776 от 14 мая 1998. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле. 5. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. УрО РАН, Екатеринбург, 2000. 6. Бугаев С.П., Месяц Г.А. Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме. ДАН СССР, 1971, т. 196, 2. 7. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1-УрО РАН, 1993, с. 68-73, часть 3, с. 53-56. 8. Бугаев С.П., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Плазменный импульсный источник заряженных частиц. Авторское свидетельство 248091.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Импульсный электрический реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и расположенной между ними, отличающийся тем, что катод и анод расположены на одной стороне шашки и удалены друг от друга, а на другую сторону нанесен проводник. 2. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что шашка рабочего тела выполнена из титаната бария. 3. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что шашка рабочего тела имеет форму диска. 4. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что катод и анод установлены коаксиально. 5. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что катод и анод установлены диаметрально противоположно.При этом выделяются два показателя, отражающие затраты полной мощности при обслуживании потребителя. Эти показатели называются активная и реактивная энергия. Полная мощность представляет собой сумму этих двух показателей. О том, что такое активная и реактивная электроэнергия и как проверить сумму начисленных оплат, попытаемся рассказать в этой статье.
Полная мощность
По сложившейся практике потребители оплачивают не полезную мощность, которая непосредственно используется в хозяйстве, а полную, которую отпускает предприятие-поставщик. Различают эти показатели по единицам измерения - полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), а полезная - в киловаттах. Активная и реактивная электроэнергия используется всеми запитанными от сети электроприборами.
Активная электроэнергия
Активная составляющая полной мощности совершает полезную работу и преобразовывается в те виды энергии, которые нужны потребителю. У части бытовых и промышленных электроприборов в расчетах активная и полная мощность совпадают. Среди таких устройств - электроплиты, лампы накаливания, электропечи, обогреватели, утюги и и прочее.
Если в паспорте указана активная мощность 1 кВт, то полная мощность такого прибора будет составлять 1 кВА.
Понятие реактивной электроэнергии
Этот присущ цепям, в составе которых имеются реактивные элементы. Реактивная электроэнергия - это часть полной поступаемой мощности, которая не расходуется на полезную работу.
В электроцепях постоянного тока понятие реактивной мощности отсутствует. В цепях реактивная составляющая возникает только в том случае, когда присутствует индуктивная или емкостная нагрузка. В таком случае наблюдается несоответствие фазы тока с фазой напряжения. Данный сдвиг фаз между напряжением и током обозначается символом «φ».
При индуктивной нагрузке в цепи наблюдается отставание фазы, при емкостной - ее опережение. Поэтому потребителю приходит только часть полной мощности, а основные потери происходят из-за бесполезного нагревания устройств и приборов в процессе эксплуатации.
Потери мощности происходят из-за наличия в электрических устройствах индуктивных катушек и конденсаторов. Из-за них в цепи в течение некоторого времени происходит накопление электроэнергии. После этого запасенная энергия поступает обратно в цепь. К приборам, в составе которых имеется реактивная составляющая электроэнергии, относятся переносные электроинструменты, электродвигатели и различная бытовая техника. Эта величина рассчитывается с учетом особого коэффициента мощности, который обозначается как cos φ.
Расчет реактивной электроэнергии
Коэффициент мощности лежит в пределах от 0,5 до 0,9; точное значение этого параметра можно узнать из паспорта электроприбора. Полная мощность должна быть определена как частное от деления активной мощности на коэффициент.
Например, если в паспорте электрической дрели указана мощность в 600 Вт и значение 0,6, тогда потребляемая устройством полная мощность будет равна 600/06, то есть 1000 ВА. При отсутствии паспортов для вычисления полной мощности прибора коэффициент можно брать равным 0,7.
Поскольку одной из основных задач действующих систем электроснабжения является доставка полезной мощности конечному потребителю, реактивные потери электроэнергии считаются негативным фактором, и возрастание этого показателя ставит под сомнение эффективность электроцепи в целом. Баланс активной и реактивной мощности в цепи может быть наглядно представлен в виде этого забавного рисунка:
Значение коэффициента при учете потерь
Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше будут потери активной электроэнергии - а значит конечному потребителю потребляемая электрическая энергия обойдется немного дешевле. Для того чтобы повысить значение этого коэффициента, в электротехнике используются различные приемы компенсации нецелевых потерь электроэнергии. Компенсирующие устройства представляют собой генераторы опережающего тока, сглаживающие угол сдвига фаз между током и напряжением. Для этой же цели иногда используются батареи конденсаторов. Они подключаются параллельно к рабочей цепи и используются как синхронные компенсаторы.
Расчет стоимости электроэнергии для частных клиентов
Для индивидуального пользования активная и реактивная электроэнергия в счетах не разделяется - в масштабах потребления доля реактивной энергии невелика. Поэтому частные клиенты при потреблении мощности до 63 А оплачивают один счет, в котором вся потребляемая электроэнергия считается активной. Дополнительные потери в цепи на реактивную электроэнергию отдельно не выделяются и не оплачиваются.
Учет реактивной электроэнергии для предприятий
Другое дело - предприятия и организации. В производственных помещениях и промышленных цехах установлено огромное число электрооборудования, и в общей поступаемой электроэнергии имеется значительная часть энергии реактивной, которая необходима для работы блоков питания и электродвигателей. Активная и реактивная электроэнергия, поставляемая предприятиям и организациям, нуждается в четком разделении и ином способе оплаты за нее. Основанием для регуляции отношений предприятия-поставщика электроэнергии и конечных потребителей в этом случае выступает типовой договор. Согласно правилам, установленным в этом документе, организации, потребляющие электроэнергию свыше 63 А, нуждаются в особом устройстве, предоставляющем показания реактивной энергии для учета и оплаты.
Сетевое предприятие устанавливает счетчик реактивной электроэнергии и начисляет оплату согласно его показаниям.
Коэффициент реактивной энергии
Как говорилось ранее, активная и реактивная электроэнергия в счетах на оплату выделяются отдельными строками. Если соотношение объемов реактивной и потребленной электроэнергии не превышает установленной нормы, то плата за реактивную энергию не начисляется. Коэффициент соотношения бывает прописан по-разному, его среднее значение составляет 0,15. При превышении данного порогового значения предприятию-потребителю рекомендуют установить компенсаторные устройства.
Реактивная энергия в многоквартирных домах
Типичным потребителем электроэнергии является многоквартирный дом с главным предохранителем, потребляющий электроэнергию свыше 63 А. Если в таком доме имеются исключительно жилые помещения, плата за реактивную электроэнергию не взимается. Таким образом, жильцы многоквартирного дома видят в начислениях оплату только за полную электроэнергию, поставленную в дом предприятием-поставщиком. Та же норма касается жилищных кооперативов.
Частные случаи учета реактивной мощности
Бывают случаи, когда в многоэтажном здании имеются и коммерческие организации, и квартиры. Поставка электроэнергии в такие дома регулируется отдельными Актами. Например, разделением могут служить размеры полезной площади. Если в многоквартирном доме коммерческие организации занимают менее половины полезной площади, то оплата за реактивную энергию не начисляется. Если пороговый процент был превышен, то возникают обязательства оплаты за реактивную электроэнергию.
В ряде случаев жилые дома не освобождаются от оплаты за реактивную энергию. Например, если в доме установлены пункты подключения лифтов для квартир, начисление за использование реактивной электроэнергии происходит отдельно, лишь для этого оборудования. Владельцы квартир по-прежнему оплачивают лишь активную электроэнергию.
Понимание сущности активной и реактивной энергии дает возможность грамотно рассчитать экономический эффект от установки различных компенсационных устройств, снижающих потери от реактивной нагрузки. Согласно статистике, такие устройства позволяют поднимать значение cos φ от 0.6 до 0.97. Тем самым автоматические компенсаторные устройства помогают сэкономить до трети предоставляемой потребителю электроэнергии. Значительное уменьшение тепловых потерь увеличивает срок эксплуатации приборов и механизмов на производственных участках и снижает себестоимость готовой продукции.
Изобретение относится к области создания электрических ракетных двигателей. Предлагается устройство электрического ракетного двигателя, которое так же, как известный тип двигателя с однородным стационарным плазменным разрядом (стационарные плазменные двигатели - СПД), содержит сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС. В отличие от СПД предлагаемый двигатель использует неоднородный газоплазменный поток рабочего тела. Для создания плазменных неоднородностей в форме плазменных колец двигатель содержит импульсный высокочастотный источник напряжения, подключенный к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя. Поддержание разряда в плазменных кольцах, индуктивно связанных с катушкой возбуждения магнитного поля, осуществляется источником переменной ЭДС, подключенного к катушке. Для размыкания тока в плазменных кольцах в момент их выхода из канала магнитодинамического ускорителя на входе в диффузор двигателя установлены радиальные диэлектрические ребра. Изобретение позволяет увеличить тягу и длительность работы двигателя. 1 ил.
Изобретение относится к области создания электрических ракетных двигателей.Известен способ [I], повышающий тягу электрического ракетного двигателя, который предлагает заменить стационарный однородный плазменный разряд неоднородным газоплазменным потоком. Плазменные сгустки (Т-слои) устойчивы к развитию перегревной неустойчивости, что позволяет многократно повысить плотность рабочего тела, проходящего через канал двигателя, и таким образом пропорционально увеличить тягу. Устройство, реализующее этот способ, состоит из газодинамического сопла, канала магнитогидродинамического ускорителя прямоугольного сечения с электродными стенками, магнитной системы, создающей магнитное поле в канале ускорителя, поперечное к потоку рабочего тела, системы импульсного электродного сильноточного разряда, формирующей в потоке Т-слои, источника постоянной ЭДС, подключенной к электродам канала ускорителя. Устройство должно обеспечивать ускорение потока за счет электродинамической силы, действующей в объеме Т-слоев, которые в свою очередь действуют на газовый поток как ускоряющие плазменные поршни. Численное моделирование рабочего режима в канале данного устройства показало, что может достигаться скорость истечения до 50000 м/с при уровне тяги до 1000 Н.Недостатком устройства, реализующего известный способ, является использование электродов как в цепи источника, формирующего Т-слои, так и в цепи источника, обеспечивающего режим ускорения в МГД-канале. Режим протекания тока в Т-слоях является дуговым. Неизбежная дуговая эрозия электродов существенно сокращает ресурс работы двигателя (из опыта работы плазмотронов следует ожидать, что электроды обеспечат не более 100 часов непрерывной работы). Для космических аппаратов многократного использования ресурс двигателя должен быть не меньше года непрерывной работы.Известен электрический ракетный двигатель (стационарный плазменный двигатель - СПД), который используют для ускорения плазменного потока за счет электродинамического воздействия на электропроводную среду. Это устройство состоит из сверхзвуковых сопел, канала магнитогидродинамического (МГД) ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушки возбуждения магнитного поля, подключенной к источнику постоянной ЭДС, системы электропитания стационарного разряда в плазме. Устройство работает по следующей схеме. По газодинамическому соплу подается газообразное рабочее тело, которое при входе в канал МГД-ускорителя попадает в область стационарного плазменного разряда, поддерживаемого системой электропитания, ионизуется и переходит в плазменное состояние. Ток в разряде протекает вдоль канала, при этом анод системы электропитания является газодинамическим соплом, а катод находится на выходе из канала. Устойчивый режим ускорения реализуется только при очень низкой плотности плазмы, при которой параметр Холла может достигать значений порядка 100. В этих условиях небольшой разрядный ток вдоль канала генерирует значительный азимутальный ток, замкнутый сам на себя. Взаимодействие азимутального тока с радиальным магнитным полем, созданном катушкой возбуждения между коаксиальными полюсами магнитопровода, порождает в объеме плазмы ускоряющую электродинамическую силу. Замкнутость основного тока без использования для этого электродов позволяет сделать ресурс работы двигателя практически неограниченным.Недостатком известного устройства является низкая плотность рабочего тела, что необходимо для обеспечения устойчивой работы двигателя. Соответственно тяга такого двигателя не превышает 0,1 Н.В основу изобретения положена задача создания электрического ракетного двигателя большой тяги при длительности непрерывной работы порядка года.Поставленная задача достигается тем, что электрический ракетный двигатель, содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС, согласно данному изобретению снабжен импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС.Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено поперечное сечение устройства.Электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла 1, канал 2 магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода 3, катушку 4 возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику 5 переменной ЭДС, импульсный высокочастотный источник напряжения 6, подключенный к дополнительной катушке 7, установленной на входе в канал 2 ускорителя. Двигатель также содержит диффузор 8 с радиальными диэлектрическими ребрами 9.Электрический ракетный двигатель работает следующим образом.Нагретый газ (например, водород), температура которого определяется условиями бортового источника тепла, а давление - требованиями по тяге двигателя, задающими расход рабочего тела, разгоняют в сверхзвуковых соплах 1. Систему импульсного высокочастотного разряда 6 периодически включают с заданной временной скважностью, и каждое включение формирует в газовом потоке плазменный сгусток на входе канала 2 МГД ускорителя. Внешним источником переменной ЭДС создается переменный ток в катушке возбуждения 4, что порождает переменное во времени радиальное магнитное поле между полюсами коаксиального магнитопровода 3. Это генерирует вихревое электрическое поле азимутального направления. Под воздействием азимутального электрического и радиального магнитного полей из плазменных сгустков формируются самоподдерживающиеся азимутальные плазменные токовые витки (Т-слои), которые в свою очередь действуют на газовый поток как ускоряющие поршни. После канала МГД-ускорителя ускоренный поток попадает в расширяющийся канал-диффузор 8, в котором установлены радиальные диэлектрические ребра 9. Ребра обтекаются газовым потоком, но на них разрываются электрические цепи Т-слоев, что позволяет прервать электродинамическую стадию ускорения потока. В диффузоре 8, являющемся продолжением канала МГД-ускорителя, осуществляется дальнейшее ускорение газового потока за счет тепловой энергии, перешедшей из Т-слоев в поток.Было выполнено численное моделирование процесса ускорения потока водорода, содержащего Т-слои, в условиях режима, реализующего описанный способ. Показано, что предлагаемое устройство может быть реализовано со следующими параметрами, соответствующими задаче создания эффективного электрического ракетного двигателя (ЭРД):- КПД процесса трансформации электроэнергии в кинетическую энергию рабочего тела 95%;- средняя скорость потока на выходе из двигателя 40 км/с;- длина канала МГД-ускорителя 0,3 м;- средний диаметр канала МГД-ускорителя 11 см;- высота канала (расстояние между полюсами) 1 см- массовый расход рабочего тела 12 г/с;- температура водорода на входе в ЭРД 1000 К;- давление водорода на входе в ЭРД 10 4 Па;- среднее значение ЭДС источника питания ЭРД 5 кВ;- среднее значение тока в обмотке возбуждения 2 кА;- потребляемая электрическая мощность 10 МВт;- тяга двигателя 500 НПредлагаемый электрический ракетный двигатель найдет применение при создании космической транспортной системы, предназначаемой для транспортировки грузов с околоземных орбит на геостационарные, лунные и далее к планетам солнечной системы.Источники информации1. B.C. Славин, В.В. Данилов, М.В. Краев. Способ ускорения потока рабочего тела в канале ракетного двигателя, патент РФ № 2162958, F 02 K 11/00, F 03 H 1/00, 2001.2. С.Д. Гришин, Л.В. Лесков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989, с. 163.
Формула изобретения
Электрический ракетный двигатель, содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС, отличающийся тем, что устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС.
Похожие патенты:
Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться в электроракетных двигателях на базе ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов, а также в технологических ускорителях, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии
