ОТ «ГОРЯЧЕГО» К «ХОЛОДНОМУ» ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ


ГЛАВА 6

ОТ «ГОРЯЧЕГО» К «ХОЛОДНОМУ» ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ

Обе предыдущие главы были посвящены электрическим ракетным двигателям, в которых электрическая энергия сообщается рабочему веществу двигателя в виде тепловой энергии, полностью — в случае дуговых электротермических двигателей, частично — в случае двигателей плазменных, электромагнитных. Но обязательно ли это?

Во всех плазменных двигателях, как мы видели, рабочий процесс включает в себя в качестве первого этапа получение высокотемпературной плазмы. Затем следует разгон плазмы до больших скоростей с использованием как термодинамического расширения горячей плазмы в сопле, так и ее ускорения под действием пондеромоторной силы, т. е. в результате взаимодействия плазмы с электромагнитным полем.

Вспомним, однако, замечание, сделанное в конце предыдущей главы. Оно касалось возможностей получения низкотемпературной плазмы. И действительно, образование плазмы вовсе не обязательно требует разогрева газа до высоких температур. Наука и техника знают много других методов ионизации газа, когда его температура изменяется мало.

Но легко видеть, что возможности электризации газа в холодном состоянии открывают и новые перспективы в области разработки электроракетных двигателей. Ведь каждому ясно, что «холодное» электричество обладает несомненными достоинствами, поскольку свободно от проблем воздействия высоких температур на конструкцию двигателя, столь важных, если не решающих, для двигателей, использующих высокотемпературную плазму.

Мало того, как мы увидим ниже, оно открывает и но-вьге возможности ускорения рабочего вещества под

действием электрического поля. Конечно, и в этом случае возможно электромагнитное ускорение, но оно оказывается значительно более сложным (в частности, потому, что требует очень точного регулирования мощного магнитного поля для обеспечения прямолинейности движения ускоряемых частиц).

Действительно, вспомним, как создается ток в обычном электрическом проводнике, например металлической проволоке. Особенностью всякого хорошего проводника, в том числе и проволоки из металла, является наличие в нем большого числа так называемых свободных электронов. В целом, конечно, металлическая проволока электрически нейтральна, как и плазма, но в ней также имеется огромное количество свободных электрических заряженных частиц. Правда, в плазме такими частицами являются и тяжелые ионы, и легкие электроны; и те и другие движутся свободно, хаотически, во всех направлениях со скоростью тем большей, чем выше температура плазмы, В металле так способны передвигаться лишь электроны, ионы же лишь колеблются относительно некоторого фиксированного положения в кристаллической решетке. Поэтому металлический проводник можно представить себе в виде некоего «электронного газа», омывающего слегка вибрирующую кристаллическую решетку, служащую как бы костяком, скелетом металла. Такой электронный газ состоит из внешних электронов, срывающихся с электронной оболочки каждого атома, превращая его, таким образом, в ион, и является как бы общей, коллективной «собственностью» всех атомов в металле.

Свободные электроны в обычном состоянии располагаются у самой поверхности проволоки. Что заставляет эти свободные частицы «забыть» о своей свободе двигаться хаотически во всех направлениях, как это происходит с молекулами газа, и сконцентрироваться в верхнем слое металла?

Причиной этому являются хорошо известные из школьного курса физики так называемые электростатические, или ку лоно вы силы. Между электрическими зарядами возникают силы взаимодействия — одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются друг к другу. В соответствии с законом Кулона, открывшего и исследовавшего это явление, указанные электростатические силы пропорциональны величине зарядов и обратно про-

порциональны квадрату расстояния между ними. Вот эти-то силы и расталкивают электроны так, чтобы удалить их возможно дальше друг от друга, а это значит, что электроны вынуждены забираться под самый «потолок», к внешней поверхности проволоки. Но электроны можно заставить и перемещаться вдоль проводника организованно, в одном каком-нибудь преимущественном направлении. Для этого, как известно, достаточно включить проводник в электрическую цепь, т. е. приложить к нему некоторое электрическое напряжение (разность потенциалов). В результате в проводнике возникнет электрическое поле, и под его действием электроны будут смещаться в одну сторону — именно от катода к аноду. Величина этой электродвижущей силы равна произведению заряда электрона на напряженность электрического поля.

Но похожие явления будут, очевидно, происходить и в ионизованном каким-либо методом газе. Если такой газ окажется в сильном электрическом поле, то находящиеся в нем электроны начнут двигаться в одном направлении, а положительные ионы (отрицательные ионы, образованные путем присоединения к атому дополнительного электрона, будут, очевидно, двигаться так же, как и электроны, но их число обычно очень незначительно) в противоположном. При достаточной напряженности поля ускорение заряженных частиц может оказаться весьма значительным, как это требуется в случае реактивной струи ракетного двигателя.

Примером простейшего электростатического ракетного двигателя может служить обыкновенная... иголка. Если в проушину этой иголки вдеть оголенный проводник, связанный с отрицательным зажимом генератора электрического тока или катодом электрического элемента, то при достаточном напряжении этого источника тока иголка поведет себя как заправский реактивный двигатель. Для этого достаточно, например, воткнуть такую иголку в плавающую на воде пробку — такой «кораблик» сейчас же начнет плыть, двигаться в направлении от острия иголки к проушине. Какая сила толкает кораблик? Реактивная сила, которая создается иголкой, превратившейся в двигатель. Эта реактивная тяга образуется потоком электронов, стекающих с острия иголки. В наличии такой струи электронов легко убедиться и иначе — этот «электрический

ветер», увлекающий с собой воздух, способен иногда задуть пламя свечи.

А какая сила сгоняет электроны с острия иголки? Все та же электростатическая сила отталкивания, которая сначала загоняет электроны на самое острие, а так как на острие даже электронам в большом числе все же «неуютно», то они начинают массами покидать иголку, стекая с острия под действием электрической силы. Увлекая с собой молекулы воздуха (точнее говоря, эти молекулы сначала поляризуются в электрическом поле, затем притягиваются к иголке и только потом отталкиваются от нее), электроны и создают «электрический ветер».

Такой «ветер» иногда обходится в копеечку, как это происходит, например, в случае так называемого «коронного разряда» проводов высокого напряжения. Но он же может сослужить и хорошую службу. На некоторых современных самолетах можно видеть выступающие сзади крыла тонкие металлические стержни. Оказывается, они во всех отношениях напоминают нашу иголку — с них тоже стекают электроны. Но реактивная тяга здесь ничтожна по величине. Эти стержни служат для того, чтобы путем разряда с них отвести накапливающееся на самолете в полете статическое электричество, которое может в ином случае привести к крупным неприятностям, например вызвать пожар на самолете. Используется «электрический ветер», например, и для того, чтобы отделять пустую породу от металла на обогатительных фабриках, и в ряде других случаев.

Между прочим, многие читатели могут при желании найти модель электростатического ракетного двигателя... у себя в комнате. Это кинескоп телевизора. Если бы в центре экрана кинескопа было небольшое отверстие, через которое поток электронов мог вытекать наружу, то налицо был бы классический электростатический ракетный двигатель. Правда, его тяга была бы совершенно ничтожной, во многие миллионы раз меньшей, чем необходимо для электроракеты и, конечно, эта сила не смогла бы заставить 'тёлевизор летать по комнате! За двухчасовую передачу в экран кинескопа ударяется огромное число электронов, примерно 5-Ю17, но их общая масса равна всего 4* 10~10 г. Конечно, такая ничтожная масса не создает сколько-нибудь заметной тяги даже при огромной скорости истечения,

Так как реактивная сила есть произведений секундной массы вытекающих из двигателя частиц на их скорость, то ясно, что при использовании электростатического ускорения частиц для создания реактивной струи важно ускорение не легких электронов, а значительно более массивных ионов (например, ионы металла цезия, который часто используется для этой цели, почти в 250 000 раз тяжелее электронов). Так определяется идея так называемых электростатических, или ионных, как их часто называют, ракетных двигателей. Двигателям такого рода в последнее время уделяется за рубежом весьма большое внимание.

с _^

[рабочим детством

Электро

питание

Насос

Ионизационная

камера

испаритель

ионов

Струя

положительных

ионов

Источник электроэнергии

Эмиттер электронов или

/~т-~

/ Реактивная ' струя - ' (нейтральная)

_ Струя электронов

или отрицательных ионов

Рис. 68. Схема электростатического ракетного двигателя (ARS Journal, X, 1959).

отрица

тельных

ионов

Очевидно, в любом электростатическом двигателе должно иметься устройство для ионизации рабочего вещества и устройство для электростатического ускорения образующихся ионов (рис. 68). Но, как можно видеть, требуется и еще одно, третье устройство, служащее для электрической нейтрализации потока вытекающих из двигателя ионов. Ведь если такого устройства не будет, то облако положительных ионов, выброшенных с большой скоростью из двигателя, вскоре приведет к возникновению сильного пространственного заряда за двигателем. Поле этого заряда будет противодействовать истечению все новых ионов, уменьшая их скорость, пока, наконец, такое истечение не прекратится вовсе (будут действовать все те же электростатические силы отталкивания).

Необходимость в указанной нейтрализации является одной из неприятных особенностей ионных двигателей, как мы увидим ниже. Ведь если бы такой необходимости не было, то достаточно было бы только осуществлять

истечение (в любом месте и направлении) электронов с тем, чтобы при работе двигателя сам летательный аппарат оставался электрически нейтральным.

Пожалуй, наиболее сложной частью ионного двигателя является источник ионов, т. е. устройство, в котором нейтральные частицы рабочего вещества преобразуются в поток ионов и электронов. Сложность ионного источника связана не с тем, что методы ионизации плохо изучены или недостаточно освоены. Таких методов наука знает много, некоторые из них хорошо освоены практически и применяются в разных отраслях техники. Дело в другом, именно, в требованиях, которые предъявляются к конструкции ионного источника. В этом случае такой источник устанавливается не где-нибудь в лаборатории и не представляет собой элемент какой-нибудь экспериментальной установки, вроде, например, ускорителя заряженных частиц в лабораториях ядерной физики, а является частью ракетного двигателя. Поэтому ионный источник должен быть очень легким и вместе с тем исключительно надежным (ведь ионный ракетный двигатель должен работать многие недели или даже месяцы подряд), должен быть высокоэффективным, т. е. потреблять мало электрической энергии, и обладать малыми размерами. Легко видеть, что перечисленные требования не только сложны сами по себе, но и противоречат одно другому. И все же, конечно, необходимые ионные источники должны быть созданы, и они уже успешно разрабатываются.

За последние полвека физиками разработано много методов ионизации, но указанные выше жесткие требования к ионным источникам ракетных двигателей сильно ограничивают число таких методов, пригодных для нашего случая. Мы рассмотрим только те, которые можно считать наиболее перспективными для применения в ионных ракетных двигателях. Впрочем, решение этого вопроса требует еще дальнейших исследований.

Одним из наиболее широко применяющихся является метод ионизации на раскаленной металлической поверхности. Этот метод достаточно хорошо изучен, имеется множество посвященных ему исследований, разработано, испытано и применено большое число ионных источников такого типа (они называются контактными). Не удивительно, что в построенных за рубежом ионных ракетных двигателях до последнего времени чаще всего применялся

именно такой источник. Лишь в последние годы у него появился опасный конкурент, о котором будет рассказано ниже).

Как же устроен и работает контактный ионный источник?

Представьте себе сосуд, изготовленный из какого-либо металла и имеющий два отверстия — через одно из них внутрь сосуда должно поступать подлежащее ионизации рабочее вещество, через другое — вытекать струя ионов. Атомы рабочего вещества, попавшие внутрь сосуда, будут ударяться о его стенки. Как известно, обычно такое соударение никак не сказывается на атомах, они отскакивают от стенки и продолжают свое движение (так это происходит, например, с воздухом в вашей комнате). Но в некоторых случаях атом, соударяющийся со стенкой, теряет при этом свой внешний электрон, который как бы «сдирается» с его электронной оболочки атомами вещества стенки. Когда это может произойти? В тех случаях, когда работа, затрачиваемая на отрыв такого внешнего электрона (энергия ионизации вещества), оказывается меньшей, чем работа, совершаемая электроном атома материала стенки, покидающим этот атом и превращающимся в свободный электрон (работа выхода материала стенки). Действительно, чем больше разность этих работ, тем больше вероятность того, что внешний электрон соударяющегося атома останется в веществе стенки. Если представить себе на минуту, что при соударении внешний электрон атома как бы внедрился в материал стенки (так это примерно и бывает в действительности), то чтобы этот материал снова возвратил, излучил поглощенный электрон, он должен теперь затратить большую работу, чем получил. Это не может быть, естественно, правилом, а скорее исключением, тем более редким, чем больше затрата энергии, равная разности работы выхода и энергии ионизации.

Вот почему для успешной работы ионного источника, использующего это явление поверхностной, ионизации, рабочее вещество ионного двигателя должно обладать малой энергией ионизации, а материал ионизатора — большой работой выхода. Это делает понятным, почему в *)

*) Luftfahrttechnik. Raumfahrttechnik, XII, 1967, т. 13, № 12, стр. 303.

большинстве разработанных проектов ионных ракетных двигателей рабочим веществом служит щелочный металл цезий, обладающий наименьшей из известных энергией ионизации (3,87 эв). Правда, это рабочее вещество обладает и другими достоинствами, о которых будет сказано ниже. Могут найти применение также такие щелочные металлы, как рубидий (энергия ионизации 4,16 эв), калий (4,32 эв), натрий (5,12 эв). Во всяком случае, это должен быть один из щелочных металлов, отличающихся, как известно, тем, что их внешние электроны сравнительно слабо связаны с атомом (т. е. обладают малой энергией связи).



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



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