ВМЕСТО ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ — ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ


ГЛАВА 4

ВМЕСТО ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ — ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ

Вторая возможность радикального увеличения удельного импульса ракетных двигателей, упоминание о которой завершило предыдущую главу, также непосредственно связана с принципом разделения источника энергии и рабочего вещества, используемым и в ядерных ракетных двигателях. В этих последних двигателях, как мы видели, не удается добиться желаемого повышения температуры рабочего вещества. Может быть, это возможно в двигателях иных схем?

Прежде всего, конечно, в этой связи приходит мысль о том, что было бы весьма желательно избавиться от необходимости в каком-либо сильно нагретом теле для передачи от него тепла рабочему веществу. Ведь именно это обстоятельство не позволяет, как указывалось выше, достичь высоких значений температуры рабочего вещества. Но как можно иначе осуществить нагрев этого вещества до высокой температуры?

Мы начинаем вспоминать, какие методы высокого нагрева вообще применяются в технике, какие формы такого нагрева встречаются в природе. И, конечно, наше внимание останавливается на электричестве.

Электричество, электрическая энергия играют огромную роль во всей нашей жизни. Мы живем в океане электричества, электричество всюду вокруг нас и в нас самих. Нельзя себе представить мир современной техники без электричества. Авторы научно-популярных книг иной раз пытаются нарисовать мертвый мир с застывшими заводами и шахтами, остановившимися поездами метро и автомобилями, замолкшими радиостанциями и погасшими огнями. Можно попытаться представить себе и другую картину —* город, все здания которого мгновенно исчезли,

их стены как бы растаяли в воздухе. Изумленному взору открылся бы фантастический город, постронный из ... электрических проводов. Каждое здание, каждое помещение в нем рисовалось бы прозрачными контурами, сложенными из электрошнура и других электропроводов. Точно чудом обнаженная кровеносная система огромного города...

Хорошо известно тепловое действие электрического тока. Электричество греет пищу в кухонной плите, плавит металл в печи, сваривает его или режет, раскаляет добела нить в электрической лампочке, поджигает топливную смесь в автомобильном двигателе, выполняет тысячи других функций, основанных на тепловом действии тока. Люди познакомились с давних пор и с природными явлениями, вызываемыми тепловым воздействием электричества; может быть, именно молния, воспламенившая дерево, была прометеевым даром огня человечеству.

С помощью электричества удается получать весьма высокие температуры нагрева. Не поможет ли эта чудодейственная сила выйти и из заколдованного круга проблем ракетной техники, не удастся ли с ее помощью, наконец, взять «барьер удельного импульса»?

Такая мысль стала волновать ученых и специалистов в области ракетной техники уже давно. В частности, в нашей стране еще в 1928 г., на самой заре развития реактивной техники, было сделано изобретательское предложение электрического ракетного двигателя, основанного на тепловом действии тока. По этому предложению через тонкие металлические проволочки или струйки электропроводящей жидкости, находящиеся в камере сгорания, должны пропускаться с заданной частотой кратковременные мощные импульсы электрического тока. Начиная с мая 1929 г. в специально созданной группе электрических и жидкостных ракетных двигателей Газодинамиче-ской лаборатории в Ленинграде велись теоретические и экспериментальные исследования таких электротепловых двигателей, использующих явление «электрического взрыва» (кстати сказать, само это явление открыто еще в 1774 г.); в 1933 г. опыты продолжались уже с камерой, *)

*) «Авиация и космонавтика», XI, 1965, № 11.

снабженной соплом) (рис. 35). В результате разрядов тока происходил взрыв проводников с разогреванием образующихся газов до весьма высокой температуры порядка 1 млн. градусов *), вследствие чего раскаленные продукты взрыва вытекали через сопло с огромной скоростью. Так была показана возможность значительного увеличения удельного импульса в подобных двигателях.

Рис. 35. Первый в мире отечественный экспериментальный электротермический ракетный двигатель, основанный на «электрическом взрыве» проводников и разработанный в Газодинамической лаборатории (1929—1933). (Весты. АН СССР 10, 1965; «Авиация и космонавтика», № 6, 1965).

Интересно, между прочим, что если при кумулятивном взрыве обычных взрывчатых веществ, применяющемся в технике, были получены скорости истечения до 100 км/сек, то кумуляция при электрическом взрыве проволок могла бы привести к образованию поистине звездных давлений и температур с соответственно колоссальными скоростями

истечения).

Однако развитие ракетных двигателей пошло, как известно, по другому направлению, и это было вполне естественно,^ поскольку отвечало текущим нуждам ракетной техники. И если электрические методы нагрева и полу-

*) New Scientist, 10. III. 1965, стр. 716.

) Статья проф. Г. И. Покровского в журнале «Техника —мо лодежи», № 9, 1957.

чили некоторое применение в ракетной технике, то лишь для различных вспомогательных нужд, например, в элек-трозапальных устройствах, служащих для воспламенения топлива при запуске двигателя.

Интерес к электротермическим, как и к другим электрическим ракетным двигателям, снова усилился лишь в последнее время, когда стали очевидны принципиальные ограничения термохимических двигателей в отношении возможности увеличения удельного импульса, столь важного для будущего ракетной техники и астронавтики. Теперь уже нет недостатка как в теоретических, так и экспериментальных исследованиях в области электротермических ракетных двигателей.

Правда, нужно отметить, что в проведении этих исследований оказалась заинтересованной не одна лишь ракетная техника. Она получила в этом отношении несколько неожиданного, но мощного союзника в лице... аэродинамики.

Аэродинамика — наука о движении тел в воздушной среде — является теоретической основой авиации. Без успехов аэродинамики невозможно было бы стремительное развитие авиации, столь характерное для нашего времени. И с такой же уверенностью можно утверждать, что успехи аэродинамики были бы немыслимы без помощи аэродинамических труб — основного экспериментального оружия ученого-аэродинамика и конструктора самолета. По мере развития авиации быстро развивались и аэродинамические трубы — этого требовал непрекращающийся рост скорости полета и увеличение размеров самолета. Не удивительно, что современные аэродинамические трубы столь же мало похожи на первую примитивную трубу, созданную, кстати говоря, Циолковским, как современные самолеты — на аппараты, на которых летали Нестеров, Российский и другие пионеры летного дела.

Особенно сложными стали аэродинамические трубы, когда в них понадобилось создавать воздушный поток огромной скорости, имитирующий сверхзвуковой полет современных самолетов. Трудности такой имитации связаны не только с огромными затратами мощности на разгон потока в трубе до сверхзвуковой скорости (мощность вентилятора, создающего воздушный поток в одной из зарубежных аэродинамических труб, достигает четверти миллиона лошадиных сил!), но и с необходимостью подогрева

воздуха с целью имитации так называемого аэродинамического, или кинетического, нагрева самолета при сверхзвуковом полете. Теоретически это явление нагрева было известно давно, но одно дело теория, другое — суровая действительность, с которой столкнулись конструкторы сверхзвуковых самолетов. С кинетическим нагревом связаны многие сложные научные и инженерные проблемы, и ясно, что первая проверка возможных методов решения этих проблем должна быть осуществлена в аэродинамической трубе.

Но нагрев воздушного потока большой скорости представляет сам по себе труднейшую задачу. В особенности она усложняется, когда нужно имитировать полет с большой сверхзвуковой скоростью. Ведь при полете со скоростью, вдвое превосходящей скорость звука, кинетический нагрев составляет примерно 250° С, а при скорости, в 10 раз большей скорости звука, более 5000° С!

Не удивительно, что в поисках средств создания высокоскоростного потока нагретого воздуха аэродинамики обратились к ... реактивным двигателям. Для этой цели стали использовать сначала турбореактивные, а затем и ракетные двигатели, помещая испытуемые модели самолетов непосредственно в реактивную струю газов, вытекающую из двигателя. Так ракетная техника пришла на помощь аэродинамике.

Но вскоре эта помощь оказалась недостаточной, и именно тогда, когда аэродинамике пришлось решать задачи развития самой же ракетной техники. Межконтинентальная или, тем более, космическая ракета, снижаясь с больших высот, врывается в плотные слои атмосферы со скоростью, в 20 и более раз превосходящей скорость звука. При этом некоторые ее части разогреваются до температуры во много тысяч градусов, так что они начинают интенсивно испаряться. Понятно, что такую температуру потока в аэродинамической трубе с помощью ракетных двигателей имитировать нельзя.

И вот тут-то аэродинамика и начала выплачивать свой долг ракетной технике, ибо в поисках методов сильного нагрева воздушного потока большой скорости она стала решать задачи, над которыми трудились и конструкторы ракетных двигателей. В частности, активному исследованию стали подвергаться и методы электрического нагрева. В настоящее время за рубежом уже действует ряд аэро

динамических труб с электронагревом воздушного потока. Часто эти трубы по принципу действия мало отличаются от некоторых экспериментальных электротермических ракетных двигателей.

Какие же методы электрического нагрева применяются или вообще могут быть применены для этих целей?

Один такой метод мы упоминали выше, когда речь шла о первом изобретательском предложении электротермического двигателя. Этот метод использует выделение тепла, связанное с электрическим сопротивлением проводника. Как уже указывалось, взрывы твердых (проволочка) и жидких (струйка) проводников под действием проходящего через них электрического тока могут привести к их разогреву до температуры во многие тысячи градусов. Опыты такого рода проводятся за рубежом. Так, в одном из опытов в США взрыв вольфрамовой нити диаметром 0,025 мм давал удельный импульс порядка 2200 сек).

В других экспериментах применялись проволочки диаметром 1 мм и длиной примерно 6,5 мм из алюминия, железа, меди, золота, серебра, вольфрама и ряда других металлов. Внезапный разряд батареи* конденсаторов, заряженных до напряжения 10—20 киловольт, через эти проволочки вызывал мгновенное (за время 7 миллимикросекунд) возникновение в них тока силой в несколько тысяч ампер. Это приводило к взрывному испарению материала проволочек (представьте себе короткое замыкание такой страшной силы через обычного «жучка», которым часто заменяют предохранительные пробки, рискуя этим сжечь весь дом!). Как показали измерения, при этом развивалась температура выше 100 000° С, а величина удельного импульса превышала 1000 сек с возможностью его увеличения до 5000 сек! ). А в опытах по изучению высокотемпературных химических реакций температура при взрыве проволочки достигала в течение нескольких микросекунд даже миллиона градусов). Такие опыты ведутся и у нас в стране).

Но если «электрический взрыв» представляет собой, что ни говори, довольно экзотический метод нагрева, то

) Aviation Week, № 23, 1959.

) Missiles Design and Development, III, 1960.

) New Scientist, 18. III. 1965, t. 25, № 435, стр. 716.

) Теплофизика высоких температур (АН СССР) I—II, 1968, т. 6, № 1.

хорошо известны многие другие способы, с помощью которых электрический ток используется в науке, технике и быту для нагрева различных веществ. Пожалуй, наиболее прост и известен метод конвективного нагрева жидкостей и газов с помощью электрических элементов сопротивления; ведь именно этот так называемый омический нагрев служит в бесчисленных электронагревателях самой различной мощности и назначения, от обыкновенного кипятильника, утюга или электрической плитки до многокило-ваттных промышленных водо- и воздухоподогревателей. Нагревательным элементом во всех этих устройствах служит металлическая трубка, проволока или пластина; их электрическое (омическое) сопротивление приводит к, тому, что при течении тока они нагреваются — электрическая энергия переходит в тепловую. А затем это (джоулево) тепло сообщается омывающему элемент газу или жидкости.

Создать электротермический двигатель на основе этого известного физического явления просто: достаточно в камере такого двигателя разместить электрический нагревательный элемент. Правда, нагрев рабочего вещества будет ограничен допустимой температурой нагревательного элемента примерно так же, как в твердофазном ядерном реакторе, но зато двигатель будет сравнительно простым, небольшим и легким. За рубежом такие двигатели исследуются, они получили там название «резистоджет», что в переводе с английского звучит примерно как «ракетный двигатель на сопротивлении». Нагревательный элемент изготовляется из жароупорного металла, обычно из вольфрама)» рения и их сплавов, и может нагреваться до 2650—2750° К). При удачной конструкции двигателя температура рабочего вещества лишь немногим меньше этой. Выгоднее всего, конечно, применять в качестве рабочего вещества'водород, но используются также аммиак и другие вещества. В случае водорода удельный импульс «резистоджета» может достигать 1000—1100 сек), однако когда он превышает примерно 900 сек, из-за возрастания различных потерь начинает резко снижаться к. п. д. двигателя). В общем же этот к. п. д. получается очень

*) Astronautics a. Aeronautics, VIII, 1964, стр. 26.

fi) J. Spacecraft, XI, 1966, т. 3, № 11, стр. 1669.

) Space/Aeronautics RaD., 1964, стр. 50. •

) Space/Aeronautics RaD., 1965, стр. 58.

высоким, что, наряду с другими достоинствами двигать лей «резистоджет», и привлекает к нему в настоящее время большое внимание.

Рис. 36. Устройство электротермического двигателя типа «резистоджет».

1 — анод, 2 — пористый вольфрамовый нагревательный элемент (теплообменник^ з — упругое соединение, 4 — подача рабочего вещества, 5 — катод, 6 _ реактивное сопло, 7 — электрический изолятор, 8 — подача рабочего вещества, 9 — радиационные экраны, 10 — змеевик охлаждения, 11 — электрический изолятор (ARS Journal, 1961, т. 31, стр. 1687).

Схема одного из первых американских экспериментальных электротермических двигателей типа «резистоджет» приведена на рис. 36; в нем применен трубчатый вольфрамовый нагревательный элемент. Другой, более поздний

Рис. 37. Электротермический двигатель «резистоджет» фирмы Марквардт (США) (Technology Week, 26. VI. 1967).

двигатель этого же типа показан на рис. 37; в нем также использован многотрубчатый вольфрамовый теплообменник. Фирма Марквардт разработала этот двигатель для ис-

пользования в системах ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов, в частности обитаемой орбитальной лаборатории MORL, работы по которой ведутся в США). Электрическая мощность двигателя равна 3 /сет, концентрические трубки вольфрамового теплообменника имеют толщину всего 0,1 мм). Входе 25 -часовых испытаний двигателя был получен удельный импульс 840 сек при к. п. д. 79% и тяге двигателя 66,5 Г. Предполагается проведение 1000-часовых испытаний с увеличением удельного импульса до 900 сек. По другому предложению фирмы) на этой же орбитальной лаборатории могут быть установлены 16—-24 двигателя «резисто-джет» тягой по 4,5 Г, рабочим веществом для которых должны служить отходы жизнедеятельности космонавтов (такое использование возможно и для других электрора-кетных двигателей, как об этом будет сказано ниже). Фирма Авко также разрабатывает двигатель «резйсто-джет» аналогичного назначения для системы стабилизации на орбите синхронного искусственного спутника Земли ATS) весом около 450 кГ (рис. 38). Двигатель мощностью всего примерно 7,5 вт имеет диаметр 102 мм, длину 280 мм и вес 3,2 кГ), он работает на аммиаке; его две независимо работающие тяговые камеры (движителя) диаметром 32 мм развивают очень малую тягу 50 мГ и 5 мГ, они управляются клапанами, электрически связанными с электронным командным блоком. Двигатель подобного типа был установлен на спутнике ATS-B, выведенном на орбиту в декабре 1966 г.; в июле 1967 г. был выведен на орбиту экспериментальный спутник LES также с двигателем типа «резистоджет»). Наконец, 5 ноября 1967 г. был запущен спутник ATS-3 также с двигателем «резистоджет»). Сообщается и о ряде других экспериментальных двигателей «резистоджет», например, мощностью 30 кет при удельном импульсе 860 сек и к. п. д. 81 % ), мощностью 10 вт на аммиаке (его диа-

*) J. Spacecraft, II, 1967, т. 4, № 2, стр. 183.

) J. Spacecraft. XI, 1966, т. 3, № 11, стр. 1671.

) Aviation Week. 12. XII. 1966; J. Spacecraft, I, 1969, т. 6, № 1, стр. 37.

) Technology Week, 22. VIII. 1966 и 3. VII. 1967.

) Aviation Week, 12. XII. 1966, t. 83, № 24, стр. 93.

) Interavia Air Letter, 7. VII. 1967, № 6291, стр. 6.

) Aerospace Technology, 20. XI. 1967, t. 21, № 11, стр. 38,

) J. Spacecraft, XI, 1966, t. 3, № 11, стр. 1669,

метр равен 100 мм, длина 280 мм, вес 3,2 кГ, тяга порядка 0,5 Г) и др., как с непрерывным, так и пульсирующим режимом работы. Первый из двигателей «резистоджет» нашел применение в космосе в системе ориентации военного спутника «Вела-3», запущенного в июле 1965 г.; его мощность равна 90 вт, тяга 19 Г; 19 сентября 1965 г. с его помощью осуществлен первый маневр в космосе). В мае 1967 г. двигатель «резистоджет»

Рис. 38. Электротермический ракетный двигатель типа «резистоджет» фирмы Авко (Interavia Air Letter, 7. VII. 1967, № 6291).

с тремя соплами обспечивал ориентацию и маневрирование усовершенствованного спутника «Вела»); два таких спутника были запущены 28 апреля 1967 г., на каждом из них был установлен многосопловой двигатель «[резистоджет» тягой каждого сопла 8,5 Г. Двигатель весом 150 Г работал на азоте). Как видно, двигатели «резистоджет» уже получили определенное признание в США. В настоящее время ведутся работы по увеличению срока их службы; в 1967 г. предполагалось, в частности, провести длительные испытания одного из двигателей в

*) Luftfahrttechnik. Raumfahrttechnik, I, 1967.

) AIAA Bull, I, 1966, т. 3, № 1.

) Aerospace Technology, 20. XI. 1967, t. 21, № 11, стр. 38. ) AIAA Bull., 1967, t. 4, № 9, стр. 128.

течение 2100 часов). Другой двигатель (фирмы Дженерал Электрик) пульсирующего типа тягой 0,225 Г прошел в 1966—1967 гг. испытания в течение более 10000 часов).



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм