Когда полетят космические корабли с электрическими двигателями

Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более, они не ограничены в энергии, у них скорость выхлопа (или удельный импульс) может быть намного больше, чем та, которая доступна в химическом реактивном двигателе.

Химические реактивные двигатели космических аппаратов создают тягу за счет термодинамического расширения нагретого газа-вытеснителя через сопло. Но для миссий, которые требуют большого приращения скорости, нужен альтернативный метод движения, имеющий более высокую удельную скорость импульса или скорости отработанного газа, чем тот, который может быть достигнут с использованием термодинамического расширения на химическом топливе. Электрическая установка космического корабля предлагает именно такую возможность.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Электрические двигательные установки космического корабля создают тягу — применяя электрические и, возможно, магнитные процессы для ускорения частиц, используя энергию, генерируемую солнечными батареями. Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной.

Электрические двигательные установки не ограничены в энергии. Пренебрегая соображениями срока службы компонентов, произвольно большое количество энергии может быть доставлено (от солнечной или ядерной энергетической системы) к заданной массе ракетного топлива, так что скорость выхлопа (или удельный импульс) может быть намного больше, чем та, которая доступна из химического движителя.

Транспортные средства с электроприводом имеют более низкое отношение тяги к массе (и, следовательно, низкое ускорение), но они могут иметь большее общее количество импульсов (произведение удельного импульса и массы топлива, равного общему изменению импульса), чем химическая силовая установка. Таким образом, хотя химическая силовая установка может обеспечивать высокое отношение тяги к массе, топливо расходуется в течение короткого времени при низком удельном импульсе. Напротив, электрическая силовая установка с низким отношением тяги к массе может работать в течение периодов от часов до лет и создавать больший общий импульс.

ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ВЫСОКИЙ УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС

Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако при этом также требуют значительного расхода энергии (1–100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2), что ограничивает максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютон. Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.

Продолжение статьи читайте в августовском номере журнала "Наука и техника" за 2020 год.  Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.

В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой