Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 87
Текст из файла (страница 87)
') Кратковременное напряженное состояние. ') Возюкается. ') Только напряжение при сжатии. Свойства конструкционных материалов для реакторов ядерных двигателей 121 !2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖГ:НИЯ 444 Таблияа 72.4 Сравнительные характеристики рабочих тел [91 узсльпая тяга (прн указанных тснперзтурзх з кзьгсрс нагрева, КЬ сел Плп гнпсть, г7 сна Рабпчсе тсзп 4 г20 5250 2750 1070 1235 664 587 905 550 438 1060 610 507 774 481 376 276 638 401 312 226 Водород Гелий Аммиак Вода 0,071 0,290 0,682 1,000 При меча ни с Давление в камере нагрева 45,7 птп, расширение до давлении г птп прн неизменном химическом составе рабочего тела. Таблица 12.5 Типичные параметры ядерыых двигателей [31 Гелий Взззрпл Пзранетр 890 8 900 Удельная тяга, сек Скорость в выходном сечении сопла, м/сек Тепловая ззоптность реактора, Мег Весовой секундный расход рабочего тела, кг/сек Полный вес ракеты, кг Вес рабочего тела, кг Вес реактора, кг Вес конструкций, кс Полезная нагрузка (на низкой орбите спутника], кг Тяга на уровне моря, кг 14 600 424 24 000 257 114 000 97 000 6 000 5 000 6 000 114 000 84 000 7 000 5 000 18 000 228 000 228 000 П р н и е ч а н н с.
Давление в камере нагрева Ез агм, температура активной зоны 3500'К, материал активной зоны — грайгит. водород и гелий, по состоянию уровня техники, ожидаемого в ближайшие десять лет. Следовательно, интервал величин удельной тяги ядерных двигателей аналогичен интервалу величин удельной тяги двигателей, использующих топлива на основе свободных радикалов с верхним пределом -1000 сек. 445 пь перспективные источники движения 12.4.
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ Таблица 72.б Результаты вкспернментального определения параметров злектротермнческого двигателя [5] Аргеа Гелий Параиетр 31,7 5,6 45,6 4,66 19 5,6 80,0 1,29 Длина сопла, мм Давление на входе, оти Электрическая атощность, кот Весовой секундный расход рабочего тела, а[век Тяга, кг 0,9 0,75 Скорость в выходнои сечении сопла, м!сек измеренная вычисленная Удельная тяга, сек измеренная вычисленная 1450 1420 4500 4850 590 647 195 198 .
Электротермический реактивный двигатель представляет собой промежуточный тип двигателя между тепловыми и электрическими двигателями. Тяга в электротермическом двигателе создается за счет расширения горячей плазмы, а энергия струи генерируется электрическим источником энергии. По характеристикам электротермический двигатель также занимает промежуточное положение между чисто тепловыми и чисто электрическими типами двигателей.
В качестве источника энергии используется электрическая дуга. При высоких температурах [до 50000'К) рабочее тело при нагревании сначала диссоциирует, а затем ионизуется. Рабочее тело также служит охладителем и образует завесу, защищающую конструкцию от воздействия высоких температур. Ускорение образовавшейся плазмы в насадке или сопле обеспечивается за счет тепловой энергии. Высокая удельная тяга электротермического двигателя по сравнению с обычными тепловыми двигателями обусловлена более высокими температурами, которые могут поддерживаться в конструкции с помощью завесы.
Однако электротермический двигатель пока может работать только в течение нескольких минут, так как электроды и сопло разрушаются под действием горячей плазмы. Возможно„ !т. перспектиВные источники дВижения что срок службы электротермического двигателя удастся про- длить до 100 час и более за счет пористого охлаждения электро- дов, применения электролитических электродов и разработки теп- лозащитных материалов.
Таблица !2,7 Типичные параметры электротермического двигателя 131 Рабочее тело Водород Тяга, кг Средняя температура струи иа выходе, 'К Вес рабочего тела (па !00 час работы), кг Вес энергетической установки (5 кг/квт), кг Давление в камере нагрева, ага Мощность струи, квт Весовой секундный расход рабочего тела, г/сгк Отношение тяги к весу '! Подводимая мощность, Мвт К. п, д, двигательиой установки, ай Скорость в выходном сечении,м/сгк Удельная тяга, свк 5,1 1840 5000 1,0 245 5,1 7,5 10 л 1,0 24,5 9800 1000 '! Беа веса «осмнчесного корабля, но е учетом веса рабочего тела на !ОО час работы.
12.5. ДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УСКОРИТЕЛЕМ ПЛАЗМЫ В электромагнитном ускорителе плазмы не используются термические методы получения высоких скоростей рабочего тела, однако он не является и строго электрическим ускорителем. Ионы и электроны генерируются при помощи электрической Современные электротермические двигатели очень примитивны и находятся на предварительной стадии разработки. Результаты типичных испытаний таких двигателей приведены в табл. 12.6. Ясно, что с помощью такого метода в дальнейшем можно получить большие величины удельной тяги. В табл. 12.7 представлены типичные конструктивные параметры электротермического двигателя, которые, возможно, будут реализованы в ближайшее десятилетие.
В настоящее время плазменные струи используются для исследования высокотемпературных свойств веществ и, вероятно, будут найдены другие области их применения, помимо источника движения. Предельный интервал величин удельной тяги 500 †25 сек. 1е перспективные источники дВижения Таблица 72.8 плазмы [31 10 9 128 8 .
1О-з 10 — 5 104 1,7 40 8 105 Типичные параметры злектромагннтного ускорителя Вес, кг Подводимая мощность, кег Удельная тяга, кг(кот Весовой секундный расход рабочего тела, кг/сек Частота импульсов, сек ' Тяга одной плазмоидной пушки, кг Расчетный к. п. д., ей Отношение тяги к весу (при удельном весе силовой установки !О кг(квт) Скорость,м(сек Удельная тяга, сек 105 105 12.6. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЛ (ИОННЫР() ДВИГАТЕЛЬ Электростатический двигатель — простой пример электрического двигателя.
Частицы ионизуются, положительные ионы и электроны ускоряются в электростатическом поле, затем они рекомбинируют и вытекают с очень большой скоростью. Электростатический двигатель состоит из трех основных частей. Эмнттер ионизует частицы и отделяет положительные ионы от электронов.
Ускоритель обеспечивает высокие скорости исте- дуги, как в обычных электротермических двигателях, но не отделяются друг от друга. В целом нейтральная плазма разгоняется при низких давлениях электромагнитным полем. Несколько типов ускорителей подробно описаны Гхаем 16]. Применяются следующие типы ускорителей: плазмоидные пушки (ионизация электродугой, импульсный режим работы), ускорители с бегущей волной (индукционный способ ионизации, непрерывный режим работы), плазменные насосы (индукционный способ ионизации, непрерывный режим работы), трубки Колба (ионизация электродугой, импульсный режим работы) и ускоритель с нестационарным магнитным полем (индукционный способ ионизацин, импульсный режим работы).
Подробное описание этих ускорителей выходит за рамки данной книги. Достаточно сказать, что характеристики этих типов двигателей являются промежуточными между характеристиками электротермических двигателей, в которых ускорение плазмы происходит за счет тепловой энергии, и электростатических двигателей, в которых ускорение ионов обусловлено электрической энергией. Двигатели с электромагнитным ускорителем плазмы обеспечивают удельную тягу до 10000 сек. Типичные параметры двигателя с электромагнитным ускорителем плазмы типа плазмоидной пушки приведены в табл. 12.8. 1а перспектиВные источники дВижения 448 чения. Нейтрализатор пучка осуществляет рекомбинацию ионов и электронов, чтобы предотвратить образование на космическом корабле пространственного заряда, который вызывает ухудшение характеристик.
Схема электростатического двигателя показана на фиг. 12.3. Эмиттер должен генерировать ионы и электроны и преобразовывать энергию с минимальными потерями. По-видимому, следует использовать тот факт, что некоторые щелочные металлы имеют меньшие ионизационные потенциалы, чем работа выхода электронов некоторых металлов. Следовательно, при контакте Ф и г. 12.3.
Схема электростатического двигателя. произойдет ионизация. В табл. !2.9 приведены некоторые свойства щелочных металлов, а в табл. 12.10 — работы выхода элеи- тронов и температуры плавления некоторых металлов. Этот метод ионизации известен как ионизация за счет контактной разности потенциалов. Механизм ионизации заключается в адсорбции нейтрального атома на поверхности металла с большой работой выхода, захвате внешнего наиболее удаленного от ядра электрона и освобождении ионизованного атома.
Преимущество этого метода ионизации заключается в большом сроке службы источника. Наиболее вероятное рабочее тело — цезий, который имеет наименьший потенциал ионизации и наибольший атомный вес. Последнее является преимуществом с точки зрения увеличения тяги. Могут быть также использованы рубидий и калий, последний — из-за его широкой распространенности. Требованиям ту- 449 !Х ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Таблица 12.9 Свойства щелочных металлов Первый патенпнал ионизапии, аа Температура плавления, 'С Температура кипения, 'С Атомный Плотность, аусм' Металл вес 132,9 85,4 39,1 23,0 6,9 11еаий Рубидий Калий Натрий Литий 3,89 4,18 4,34 5,14 5,39 28,5 38,5 62,3 97,5 186 670 700 760 880 1336 1,87 1,53 0,83 0,93 0,53 Таблица 12.10 Свойства металлов с большой работой выхода электронов Работа выкала электрона, ае Температура плавлении, 'С Металл гоплавкости и дешевизны для создания поверхности с высокой работой выхода электронов обычно удовлетворяет вольфрам, а не платина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
