Электромеханика в космосе

Электрореактивные (ионные) двигатели малой тяги. Для создания внешних управляющих моментов, а также для коррекции орбиты при построении систем ориентации космического летательного аппарата можно применять электрореактивные двигатели. Принцип действия их основан на ускорении рабочего тела, например газа, при помощи электроэнергии, создаваемой специальным источником. Полученная скорость рабочего тела на выходе такого двигателя создает динамический импульс (произведение механической силы, действующей на корпус аппарата, на время, в течение которого газ под воздействием электромагнитного поля приобретает заданную скорость).

В отличие от тепловых (химических) реактивных электрореактивные двигатели, как указывал еще К. Э. Циолковский, имеют относительно высокую динамическую импульсную характеристику. Она определяется отношением величины тяги двигателя [кг] к секундному расходу массы [кг/с]. Если тепловые реактивные двигатели, использующие окислители и горючее, дают удельный импульс в несколько сотен секунд, то электрореактивные двигатели, в которых газ разгоняется с помощью электромагнитного поля, могут давать величину импульса в несколько тысяч секунд.

Рис. 15. Принципиальная схема электрореактивного двигателя (Н и Е — направления векторов соответственно магнитного и электрического полей; z — направление, противоположное действию силы)

По режиму работы электрореактивные двигатели можно разделить на стационарные и импульсные, а по механическому характеру создания тяги — на электротермические и электромагнитные. При электромагнитном способе ускорения возможны схемы как с независимым магнитным потоком, воздействующим на плазму, так и с собственным магнитным полем. Рабочее тело электрореактивных двигателей при этом может быть твердым, жидким или газообразным, хорошо пропускающим электрический ток. Высокоэффективны реактивные двигатели с комбинированными полями, в которых напряженности электрического и магнитного полей в простейшем случае действуют перпендикулярно друг другу («скрещенные поля»).

Принципиальная схема одного из вариантов электрореактивного двигателя представлена на рис. 15. Основной элемент таких двигателей — коаксиальная магнитная система 1 с катушками намагничивания. Между полюсами помещается кольцевая диэлектрическая камера 2. В глубине ее находится анод 3, одновременно являющийся газораспределителем. Недалеко от среза канала расположен газоразрядный источник электронов — катод-нейтрализатор 4. Внутри цилиндрического канала создается неоднородное магнитное поле, направленное преимущественно по радиусу цилиндра (электрическое поле направлено вдоль канала).

Электрическая схема плазменного двигателя состоит из источника электроэнергии, преобразователя высокого напряжения и электродов, образующих замкнутый электрический контур циркуляции электромагнитной энергии. В этих условиях движение ионов можно считать практически прямолинейным (с учетом их дрейфа в скрещенных полях). Внутри ускорителя образуется облако вращающихся электронов, и нейтральные атомы, выходя из отверстий, попадают в это облако и ионизируются. Образующиеся ионы, взаимодействуя с электрическим полем, существующим в канале ускорителя, выходят из канала, имея направленную кинетическую энергию в соответствии с напряжением источника энергии, приложенным к аноду и катоду. Электроны, возникающие в процессе ионизации атома, нейтрализуются при выходе из катода нейтрализатора, когда вместе с ионами покидают систему.

Электрореактивная двигательная система космического летательного аппарата состоит из баллонов с рабочим веществом, в которые вмонтирована система клапанов и вспомогательных элементов; преобразователя напряжения системы автоматики и телеметрии; двигательных блоков, содержащих собственно двигатель и катодный нейтрализатор.

Впервые в мире стационарные плазменные двигатели непрерывного действия были исследованы и испытаны на искусственном спутнике Земли «Метеор». С помощью плазменного ионного двигателя спутник на несколько десятков километров поднимался и опускался относительно орбиты выведения.

Следует заметить, что электрореактивные двигатели обладают хорошими регулировочными характеристиками, высокой надежностью и малым весом. Однако при этом требуется установка на космический аппарат достаточно мощных электрических источников энергии. Но в будущем, по мере развития электроэнергетики космических летательных аппаратов, роль и значение электрореактивных двигателей несомненно будут возрастать.