ВМЕСТО ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ — ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ 2


Электрический нагрев сопротивлением может быть эффективно применен и в радиоизотопных микроракетных двигателях для увеличения температуры рабочего вещества и, таким образом, удельного импульса. В частности, в радиоизотопном двигателе системы ориентации, разрабатываемом фирмой Филко (о нем шла речь в предыдущей главе), удельный импульс равен примерно 500 сек; чтобы его увеличить, фирма создала модификацию того же двигателя, установив на выходе из него электрический нагревательный элемент сопротивления. В результате такой комбинации радиоизотопного и электротермического двигателей удельный импульс удалось повысить с 500 до 900 сек (при работе на водороде) ).

Применение двигателей типа «резистоджет» в системах ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов вполне логично — как и другие так называемые микроракетные двигатели, используемые для этой цели, они развивают необходимую весьма малую тягу, обеспечивая при этом достаточно высокий удельный импульс и обладая возможностью многократного включения, высокой экономичностью и требуемой надежностью в работе. В последнее время в зарубежной печати все чаще публикуются сведения о сублимационных микроракетных двигателях, т. е. работающих на твердом сублимирующем (возгоняющемся) топливе. Такое топливо при нагреве из твердого сразу переходит в газообразное состояние; к числу подобных топлив относятся, например, камфора, нафталин, сернистый аммоний и др. Некоторые из них при сублимации диссоциируют, в частности, например, сернистый аммоний NH4HS распадается на аммиак NH3 и сероводород H2S), и т, п. Нагрев сублимирующего топлива производится в разных двигателях по-разному; электрический нагрев здесь стоит, пожалуй, на первом месте — он надежен, прост, а затрата электрической энергии на сублимацию обычно невелика, порядка

*) Space/Aerenautics RaD., 1966, стр. 105.

) Aerospace Technology, 17. VII. 1967, т. 21, № 2, стр. 13.

) «Вопросы ракетной техники», XII, 1965.

) Missiles and Rockets, 23. VIII. 1965.

22_23 вт на 1 кг). Вот, например, как выглядит такой

сублимационный микроракетный «резистоджет», созданный в США фирмой Локхид Миссайлз энд Спейс) для систем ориентации искусственных спутников весом 300 и 350 кГ. Двигатель весит примерно 1,15 кГ и развивает тягу около 5 мГ. Керамический электрический трубчатый нагревательный элемент двигателя имеет тонкий слой покрытия из титана. Снаружи корпус двигателя снабжен золотым покрытием для регулирования температурного режима двигателя — тонкий слой золота отражает тепловые инфракрасные лучи и поглощает ультрафиолетовые.

Другой широко применяющийся в технике перспективный метод электронагрева — высокочастотный индукционный нагрев — также может быть использован в электротермическом ракетном двигателе; первые эксперименты такого рода, проведенные в США, были удачными ).

Впервые высокотемпературный нагрев газов в радиочастотном электромагнитном поле был изучен советским ученым, проф. Г. И. Бабатом, опубликовавшим свои исследования в 1947 г.). Сильное переменное электрическое поле заставляет колебаться заряженные частицы газа, и в нем происходит так называемый безэлектрод-ный разряд.

По существу, именно такой разряд происходит в полыхающем северном сиянии, сверкнувшей молнии или в огнях неоновых реклам. Если е помощью специальной индукционной катушки создать очень мощное электромагнитное поле, то движение заряженных частиц газа будет интенсивным и газ сильно нагреется. Такой нагрев так же связан с электрическим сопротивлением, как и обычный омический нагрев в твердом теле, например, в двигателях типа «резистоджет». С помощью специальных устройств — безэлектродных плазменных горелок — удается создавать очень высоконагретый поток газов — высокочастотный факел; такие горелки используются для

*) Реферативный журнал «Исследование космического пространства», VIII, 1966, реф. 8.62.303.

) Mechanical Engineering, I, 1966, стр. 60; SAE J., Ill, 1966.

°) ARS Journal, I. 1961 и др.

) J. Inst. Elec. Eng., 1947, t. 94, стр. 27; «Юный техник», VII, 1937 и др.

различных технологических нужд (рис. 39). Как видно по схеме электротермического двигателя с таким индукционным нагревом (рис. 40), нагретый газ расширяется затем в обычном сверхзвуковом сопле, что обеспечивает получение большого удельного импульса.

w'

Возможны и некоторые другие методы электрического нагрева газа (например, метод электронной бомбардировки, и др.). Однако наиболее широкие исследования за рубежом в настоящее время ведутся в направлении использования метода электро-дугового нагрева.

Применение электрической дуги (как известно, она была открыта русским ученым В. В. Петровым в 1802 г.) для целей нагрева широко известно, на этом основана огромная и весьма прогрессивная область техники — электросварка. Сварочная дуга представляет собой устойчивый электрический разряд между твердыми (а иногда и жидкими) электродами в газе, обычно при атмосферном давлении. Чаще всего применяется дуга прямого действия, горящая между стержневым сварочным электродом и самим свариваемым изделием. Но иногда используется и дуга косвенного действия, образующаяся между двумя электродами. Дуга имеет довольно сложное строение. Ее центральная часть, так называемый столб дуги, представляет собой ярко, ослепительно светящийся сердечник цилиндрической или конической формы. Температура газов в столбе дуги очень высока, в его осевой части она достигает 5000—6000° С. Столб окружен не столь ярко светящимися газами и парами меньшей температуры, так называемым факелом дуги. Основания дуги представляют собой раска-

20000 °/(

18 000 \'К 16000°Н Н000К—\ 12000 °К

Рис. 39. Безэлектрод-ная индукционная плазменная горелка (схема)

1 — подвод распиливаемого вещества, газа и др., в зависимости от назначения горелки, 2 — охлаждающая вода, 3 — подвод газа для образования плазмы, 4 — подвод охлаждающего газа,

5 — кварцевые трубки,

6 — канал охлаждения,

7 — индукционная катушка (Ghem. Ing. Techn.,

Н. 3, 1966).

ленные пятна, одно — на отрицательном электроде (катоде), другое — на аноде. Подводимая к дуге электрическая энергия переходит в основном в тепло, а частично — в световую, звуковую и химическую энергию. Именно на тепловом действии дуги и основан процесс сварки.

Как же можно использовать электрическую дугу в электротермическом двигателе? Ведь никакая сварка в таком двигателе, конечно, происходить не должна.

Рис. 40.Устройство экспериментальной модели электротермического ракетного двигателя с индукционным безэлектродным нагревом рабочего вещества. (Доклад на 14-й ежегодной конференции Американского ракетного общества 16—20. X 1959; «Экспресс-информация» ВИНИТИ, серия «Астронавтика и ракетодинамика», 21.

III. 1960, № И).

Схему такого двигателя можно представить себе, например, следующим образом. В камеру сгорания обычного типа (рис. 41) введены два электрода (хотя вполне возможны и многодуговые двигатели)). Между электродами устанавливается электрическая дуга, причем может быть использован как постоянный, так и переменный ток). Рабочее вещество, например, жидкий водород, о чем

) VDI-Zeitschrift, 1963, 105, № 12.

) Имеются двигатели того и другого типа; их сравнительная выгодность должна еще быть выяснена (Astronautics, 1962, 7, № 6).

шла речь выше, вводится в камеру, испаряется и нагревается в дуге и затем вытекает через сопло двигателя с большой скоростью наружу, создавая реактивную тягу.

Очевидно, что электроды должны интенсивно охлаждаться, чтобы продлить срок их службы. И все же их

Рис. 41. Схемы электротермических дуговых ракетных двигателей с поперечным (сверху) и соосным (продольным) расположением электродов (Space World, IX, 1965).

эрозия, как и высокая температура в камере, представляет собой одну из важнейших проблем совершенствования таких электродуговых двигателей. Пока эта проблема не будет решена, не удастся создать двигатели, способные работать достаточно продолжительное время. В качестве одного из интересных решений указанной проблемы можно привести созданную в США фирмой Вестингауз мощную электродуговую нагревательную установку, предназначенную главным образом для целей получения слитков жаропрочных металлов. В этой установке оба электрода дуги

выполнены в виде полых колец, внутри которых циркулирует охлаждающая вода. Главной особенностью является, однако, то, что дуга, образующаяся под действием переменного тока между электродами, не стоит на месте, ее основания все время перемещаются по кольцевым электродам (для этого используется воздействие внешнего магнитного поля, создаваемого с помощью катушки постоянным током). Таким образом удается избежать перегрева и эрозии электродов. Установка может работать длительно, создавая гиперзвуковую струю газа, нагретого до 4500° С и обладающего скоростью, соответствующей М= 10 (т. е. в 10 раз большей скорости звука). Рабочим веществом служит воздух или азот, его весовой расход равен примерно 0,6 кПсек. В другой аналогичной установке мощностью 3000 кет той же фирмы дуга вращается со скоростью 1000 об/сек; эта установка служит для исследования химических реакций).

Исследования магнитного и других методов вращения дуги ведутся и в нашей стране, в частности, в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Академии наук СССР, который ведет работы по плазматронам с 1959 г.), в Институте тепло- и массо-обмена Академии наук БССР), и др. Подобное вращение дуги считается перспективным и для электротермических двигателей (рис. 42).

Другой важной проблемой разработки электродуговых двигателей является повышение их к. п. д., т. е. увеличение эффективности преобразования затрачиваемой электрической энергии в кинетическую энергию вытекающей реактивной струи. Как указывается в зарубежной печати, в созданных образцах двигателей в кинетическую энергию рабочего вещества переходит не более 35—40% всей расходуемой электрической энергии. Правда, при использовании регенеративного охлаждения двигателя рабочим веществом, что устраняет потери тепла в стенки двигателя, эта доля может быть повышена до 50—60 и даже до 80% ). Кстати говоря, проблема эффективности преобразования энергии является, как мы увидим ниже,

*) Chemical Engineering, 23. V. 1966, т. 73, № 11, стр. 102.

) «Наука и жизнь», 1962, № 1.

«Экономическая газета», XII, 1965, № 52, стр. 34.

) Missiles and Rockets, 7. XI. 1960; Aviation Week, 27. I. 1964.

одной из важнейших для всех типов электроракетных двигателей)-

Несмотря на то, что работа над электродуговыми ракетными двигателями начата сравнительно недавно, в настоящее время за рубежом уже имеется ряд экспериментально проверенных моделей двигателей этого типа. Успешно решены многие важные задачи их разработки, в частности, связанные с организацией электрической дуги в камере.

Вход

рабочего

бещестба

Магнитная катушка

Сопло-

электрод

иппш Изоляция' длектрод

Вращающаяся

электрическая

дуга

Реактив-ная струя

Рис. 42. Схема электротермического дугового ракетного двигателя с вращающейся дугой (Luftfahrttech-Dik, IV, 1963).

На рис. 43 представлена схема устройства дугового двигателя мощностью 30 кет, разработанного фирмой Авко (США) ). Двигатель работает на постоянном токе, при испытаниях с аммиаком в качестве рабочего вещества удельный импульс составлял 1000 сек, и с водородом — 1500 сек, при увеличении же мощности до 215 кет й работе на водороде удельный импульс повышался до 2200 сек. Как показали спектроскопические измерения, температура дуги на оси достигала 25 0Q0 ° К. К. п. д. дви-

) Одним из интересных предложений в этом направлении является работа электродугового двигателя на двух различных рабочих веществах, в частности, литии и водороде. Дуга создается в жидком литии, что уменьшает потери и имеет ряд других преимуществ, а затем в камеру вводится водород для увеличения скорости истечения (Luftfahrttechnik. Raumfahrttechnik, III, 1963). ) AIAA J., XI, 1963, т. 1, № 11, стр. 2517.,

гателя составлял 41—44%, причем охлаждение двигателя было только радиационным — тепло отдавалось окружающему воздуху излучением. Тяга двигателя 270 Г, его собственный вес 2,2 кГ ). По одному из сообщений печати ) фирма Авко при испытании экспериментального дугового двигателя получила даже удельный импульс 3500 сек.

Рис. 43. Устройство экспериментального дугового двигателя фирмы Авко.

На рис. 44 показан дуговой двигатель мощностью 1 кет фирмы Плазмадайн. Двигатель мощностью 30 кет этой же фирмы прошел в 1964 г. 500-часовые наземные испытания). Над дуговыми электротермическими двигателями работают и другие фирмы США, а также ФРГ и других стран). Как указывается в печати), вероятные характеристики таких двигателей при их внедрении в эксплуатацию таковы: тяга от десятков граммов до килограммов, удельный импульс 800—2000 сек), мощность 3—300 кет, к. п. д. до 60% ). Двигатели будут работать

*) Aviation Week, 29. IV. 1963.

“) Missiles and Rockets, 10. II. 1964, стр. 24.

) Missiles and Rockets, 11. V. 1964, стр. 31.

) Aviation Week, 27. I. 1964.

) Space World, XI, 1965, стр. 21.

) Указываются и большие значения. В частности, специалисты фирмы Авко считают, что может быть создан дуговой двигатель мощностью в несколько мегаватт с удельным импульсом 3000 сек (Missiles and Rockets, 29. IV. 1963).

) Mitteilungen der DGRR, II, 1966, № 70, стр. 5.

в К. А. Гильзин

Тангенциальный подвод рабочего

Опора катода из нитрита бора

Анод рабочего из молибдена

с соплом вещества

из вольсррама

как на постоянном, так и на переменном токе напряжением порядка 100 в при силе тока от 30 до 3000 а. Однако доводка дуговых двигателей еще требует решения многих задач, в частности, связанных с эрозией электродов, охлаждением и др. Нужны также исследования рабочих процессов в электрической с дуге, очень сложных и пока понимаемых не до конца.

Рнс. 44. Электротермический дуговой двигатель мощностью 1 кет фирмы Плазмадайн (Джанини) (Aviation Week

I, 1964, т. 89, № 4, стр. 5).

Как видно из приведенных выше данных, с помощью дуговых двигателей барьер удельного импульса может быть значительно передвинут в область более высоких значений. Возможности ракетной техники и космонавтики возрастут при этом в огромной степени. В частности, станет возможным увеличение доли полезного груза в общем

весе ракеты в десятки раз по сравнению с химическими ракетами^ о

Однако выигрыш в одном и в этом случае, как обычно, достигается ценой проигрыша в другом, причем это относится не только к электротермическим, но, как мы увидим ниже, ко всем без исключения электроракетным двигателям. Значительное увеличение удельного импуль-

са по сравнению с обычными термохимическими двигателями, которое становится возможным с помощью электро-ракетных двигателей, сопровождается столь же, или даже более существенным уменьшением тяги, развиваемой двигателем.

Так, во всех построенных экспериментальных моделях электродуговых (да и других электроракетных) двигателей тяга обычно составляет всего сотые или, от силы, десятые доли килограмма и даже того меньше. Да и по удельному весу эти двигатели ни в какое сравнение не могут идти с химическими -— он у них в десятки и сотни раз больше.

Правда, электроракетные двигатели обладают еще одним преимуществом по сравнению с химическими — они способны работать (или по крайней мере должны быть способны) многие дни и месяцы подряд. Так, электроду-говой двигатель фирмы Авко, показанный на рис 43, работал при наземных испытаниях непрерывно более месяца, 760 часов! Осмотр двигателя после испытаний показал, что он мог бы работать значительно дольше. Для мощных химических двигателей такая продолжительность работы недосягаема. Правда, к счастью, им она и не нужна.

Но чем объясняются столь малые тяги электроракетных двигателей и их относительно большой вес? И кому нужны, в конце концов, двигатели столь ничтожной тяги, в особенности, если учесть, что они должны осуществлять разгон космических летательных аппаратов огромной массы?

Недостатки электроракетных двигателей — малая тяга и большой удельный вес — объясняются той же причиной, что и их главные достоинства (большой удельный импульс и длительность работы). Все дело в разделении источника энергии и рабочего вещества, о котором говорилось выше, как о принципиально возможном пути к высоким значениям удельного импульса. За это разделение приходится расплачиваться: необходимость в источнике энергии большой мощности (вспомните миллионы лошадиных сил современных мощных ракетных двигателей!) ограничивает тягу электроракетного двигателя, а потребность в специальном механизме передачи энергии рабочему веществу — увеличивает вес двигателя.

Но кажущийся очевидным ответ на второй вопрос, кому нужен двигатель столь мизерной тяги и вместе с тем большого веса, был бы поспешным и, как это часто бывает в таких случаях, неверным. Действительно, на первый взгляд «комариная» сила тяги электроракетных двигателей абсолютно бесполезна, когда речь идет о «много-пудье» космических кораблей. Но только на первый взгляд. Конечно, заставить взлететь с Земли космическую ракету такие двигатели не смогут. Но взлет — только самая начальная и короткая фаза обычного космического полета. Большую часть времени, когда уже отсутствует аэродинамическое сопротивление и достигнута первая космическая скорость, корабль находится, как известно, в условиях динамической невесомости, если его двигатель не работает. В этих условиях, когда приходится учитывать не вес, а только массу корабля, и ничтожно малая сила способна вызвать ускорение корабля, пусть тоже ничтожно малое. А если вспомнить, что электрора-кетные двигатели могут работать непрерывно в течение очень длительного времени, то станет ясно, что проигрывая в силе, но выигрывая во времени, можно достичь того же эффекта, что и с помощью огромной силы в короткое время *).

Мы уж не говорим о тех случаях применения, когда огромная сила вообще не нужна. А таких случаев в современной космонавтике немало. Выше уже не раз упоминалось, в частности, о разработке микроракетных электротермических двигателей для систем ориентации и стабилизации космических летательных аппаратов; как эти, так и другие электроракетные двигатели уже нашли такое применение при осуществленных космических пусках и, несомненно, будут применяться все шире и с большой эффективностью. Так определяются возможности использования электроракетных двигателей в космическом полете.

Ниже мы еще не раз будем возвращаться к этим потенциальным возможностям электроракетных двигателей и особенностям их использования. Но уже сейчас ясно, что их малая тяга вовсе не является непреодолимым пре

*) Если, например, вес корабля равен 2,25 Т, а двигатель развивает тягу, равную всего 0,5 кГ, то через 60 минут работы двигателя скорость коробля возрастет на 24 км/час, через 24 часа — на 600 км/час, а через месяц — на 17 600 км/час (Deutsche Aero-Revue 1962, 6, No. 5).

пятствием. Мало того, несмотря на свои бесспорные недостатки, эти двигатели, и только они одни, способны на-, много расширить возможности космонавтики, решить задачи, перед которыми, как мы знаем, пасуют сверхмощные и сверхлегкие термохимические ракетные двигатели. Для дальнего полета важнее всего, в конце концов, все же удельный импульс, по сравнению с ним все остальное оказывается второстепенным.

Но возвратимся к нашему электродуговому двигателю. Чтобы достичь указанных выше значений удельного импульса, рабочее вещество в двигателе должно быть нагрето до температуры 4000° С и более. При такой температуре вытекающая из двигателя струя газов (на нее нельзя смотреть, так она ярка) представляет собой смесь атомов и молекул с ионами и электронами. Чем выше температура, тем содержание последних в смеси больше. Не удивительно, что вследствие этого электродуговые ракетные двигатели часто получают за рубежом название «плаз-матрон» или «плазмаджет». Ведь реактивная струя таких двигателей представляет собой, по существу, именно то, что носит название плазмы.

Но с плазмой связаны столь большие надежды ракетной техники, что ей стоит посвятить специальную главу.



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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