Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 59
Текст из файла (страница 59)
В электроабляционных ра- ! кетных двигателях (рис. 11.61) в качестве рабочего тела использу- г ется твердое вещество. При помо- г 4 щи электрической энергии (за счет сопротивления или за счет дуги 3, Рис. 11.61 возникающей между электродами 2) вещество 1 нагревается, переходя сразу в газообразное состояние, и ускоряется в сопле 4. Подобные вещества широко известны в природе — нафталин, сернистый аммоний. Предельная простота и компактность рассмотренного двигателя делают их особенно перспективными. В рассмотренных электротермических двигателях предполагается превращение электрической энергии в тепловую, что имеет и свои недостатки. Несомненный интерес представляет использование в двигателях заряженных частиц, полученных другими методами.
Выделение из этих частиц положительно заряженных дает возможность ускорять их в электрическом поле за счет кулоновских снл. На этом принципе основано действие электростатических ракетных двигателей (ЗСРД). Они состоят из следующих основных элементов: ° источника ионов или других заряженных частиц; ° ускоряющей системы, обеспечивающей электрическое поле для ускорения частиц; Ф нейтрализатора, добавляющего в выходную положительно заряженную струю электроны и тем самым превращающего ее в нейтральную. Естественно, в состав ЭСРД должны входить система подачи рабочего тела из бака, система регулирования и управления работой двигателя. Обычно электростатические двигатели классифицируются по типу используемых заряженных частиц и по методу их получения.
В зависимости от типа используемых заряженных частиц различают ионные ракетньге двигатели (ИРД), работаю- 379 Глава гн Термодинамические циклы щие на атомарных ионах, и коллоидные электроракетные двигатели (КЭРД), в которых ускоряются не ионы, а относительно более крупные объединения многих атомов и молекул, микроскопические капельки, пылинки или коллоидные частицы. В свою очередь, ИРД можно разделить по методу получения ионов на двигатели с поверхностной и объемной ионизацией.
В двигателях с поверхностной (или контактной) ионизацией атомы рабочего тела теряют внешние электроны, превращаясь в ионы при столкновении с поверхностью ионизатора; в двигателях с объемной ионизацией (или ионизацией электронным ударом) этот процесс осуществляется при помощи электронов катода, бомбардирующих нейтральные атомы газообразного рабочего тела в специальной камере. Рассмотрим принципиальную схему ионного двигателя с поверхностной ионизацией. В этом типе двигателей атом рабочего вещества превращается в нон в результате соударения с некоторой поверхностью.
Такой процесс можно успешно совершенствовать при определенном сочетании свойств рабочего вещества и материала ионизатора. Для этого, прежде всего, работа отрыва внешнего электрона атома рабочего тела должна быть меньше работы выхода электрона материала поверхности ионизатора. Это условие, очевидно, обеспечивает преобладающее протекание процесса ионизации рабочего вещества. Известно довольно много сочетаний веществ с энергией ионизации меньшей, чем работа выхода. Это такие рабочие вещества, как щелочные металлы цезий, рубидий, калий„в которых внешние электроны слабо связаны с ядром, и такие ионизирующие поверхности, как платина, вольфрам, рений, тантал, иридий, углерод, имеющие работу выхода большую, чем энергия ионизации щелочных металлов.
Но поскольку образовавшийся ион покидает поверхность ионного источника только при определенной температуре, то вещество ионизатора должно обладать достаточно высокой температурой плавления. В настоящее время в качестве рабочих тел получила распространение пара цезий — вольфрам. Схема подобного двигателя представлена на рис. 11.62. Превращение жидкого цезия 380 11.7.
Цикпы реактивных двигателей 8 .4 8 ° е1 е и е е е е е ° ° е ° Рис. 11.63 Рис. 11.62 з парообразный и нагрев пористого вольфрамового ионизатора до Т = 1400 К осуществляется с помощью электрического нагревателя Е. Поток ионов б в дальнейшем попадает в нейтрализатор (электронную пушку). Наличие нейтрализатора потока вытекающих ионов 3 усложняет двигатель, но без этого устройства за двигателем возникает положительный пространственный заряд, препятствующий истечению реактивной струи. С помощью нейтрализатора решается эта проблема. Ускорение потока электронов Б осуществляется ускоряющим электродом 4. Принцип получения ионов методами газового разряда лежит в основе двигателей с объемной ионизацией.
В таких двигателях ионы получаются в результате соударений атомов с электронами, движущимися по довольно сложным траекториям— колеблясь и вращаясь между катодом и анодом. Схема коллоидного двигателя представлена на рис. 11.63. Источником разгоняемых частиц может служить набор капиллярных металлических трубок 2, по которым рабочая жидкость из бака Е поступает э камеру ионизации.
Наличие электрического поля у выходного сечения капиллярной трубки приводит к неустойчивости жидкой струи и в результате к распаду ее на отдельные заряженные капельки. В свою очередь, электростатическое поле, создаваемое ускоряющими электродами 3, ускоряет такие частицы, а наличие нейтрализатора 4 создает нейтральную реактивную струю.
Рабочим веществом коллоидных двигателей могут быть жидкие металлы, органические жидкости, раствор иодистого калия в глицерине. 881 Глава 11. Термодинамические цикпы Если ионный двигатель должен иметь отдельный источник ионов, то так называемый электромагнитньсй (плазменный) двигатель (ЭМРД) представляет собой устройство, в котором рабочее тело находится в состоянии квазинейтральной плазмы, т. е. электроны и ионы ускоряются одновременно за счет взаимодействия магнитных и электрических полей.
ЭМРД можно разделить на две группы: ° сильноточные плазменные двигатели (СТД); ° магнитогидродинамические (МГДРД). Сильноточные плазменные двигатели представляют собой комбинацию рассмотренных ранее электротермических двигателей и электромагнитных. Как уже отмечалось, в ЭТРД рабочее вещество сначала нагревается в электрическом разряде, а затем газодинамически ускоряется в сопле Лаваля. Такой механизм реализуется при низких значениях разрядного тока.
При существенном увеличении этого тока электромагнитные силы, возникающие вследствие взаимодействия его различных составляющих, становятся доминирующими в ускорении плазмы рабочего тела. Режим электромагнитного ускорения начинается при токах порядка 10з А. Основные элементы СТД (рис. 11.64) — центральный катод, кольцевой анод и изолятор между ними. Магнитное поле создается разрядным током между катодом и анодом. Взаимодействие между азимутальной составляющей магнитного поля В и составляющими разрядного тока у является тем механизмом, который ускоряет ионы и электроны. СТД имеет то преимущество, что в нем используется электрический ток низкого напряжения„что удешевляет первичный источник энергии. В магнитогидродинамических реактивных двигателях плазма ускоряется силами, возникающими при взаимодействии магнитных и электрических полей.
В настоящее время существует довольно много типов МГДРД, среди которых наибольшее распространение получили холловские ускорители, основанные на получении ускоряющей силы вследствие взаимодействия с внешним магнитным полем появляющихся в плазме так называемых токов Холла (ученого, обнаружившего эти токи). Сущность токов Холла в следую- 382 11.7. Циклы ревктивиыхдвигателей Газ ' в В -в- В о — о =-в В )е 8= Рис.
11.64 Рис. 11.66 383 щем. При ускорении плазмы в скрещенных магнитных и электрических полях, очевидно, отдельно ускоряются электроны и отдельно — ионы. Вследствие их разной массы эти частицы начинают двигаться с различной скоростью, т. е. электроны обгоняют ионы. В результате нейтральная плазма начинает как бы делиться на две заряженные части. Но в это время начинает действовать кулоновская сила электростатического притяжения зарядов противоположного знака (закон Кулона), которая и вызывает «уравнивающие» токи в плазме, называемые токами Холла. Именно токи Холла в результате взаимодействия с магнитным полем и ускоряют плазму. Рассмотрим работу наиболее распространенного торцевого холловского двигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
