Ускорение газового потока в канале электрореактивного двигателя

Электрические реактивные двигатели (ЭРД) и элект-рореактивные двигательные установки (ЭРДУ), созданные на их основе, к началу 80-х гг. ХХ в. вышли из разряда полуфантастических проектов и прочно заняли свое место в практической космонавтике, обеспечивая, в частности, коррекцию орбиты геостационарных связных спутников. Их основное преимущество перед традиционными двигательными установками (ДУ) на химическом топливе заключается в существенно большей энергетической экономичности за счет увеличенной скорости истечения реактивной струи. Несмотря на заметное усложнение таких ДУ, по сравнению с традиционными, и необходимость присутствия на борту космического аппарата (КА) достаточно сложных систем преобразования энергии и управления, достигаемые ЭРД параметры очень существенны. Например, для геостационарного КА среднего класса со сроком активного существования 8...12 лет масса заправленной ЭРДУ для кор- рекции долготы и наклонения орбиты может составлять 200…300 кг, а ДУ на химическом топливе – до 1 000 кг [1], что составляет более 30 % массы всего КА. Поэтому в мире постоянно расширяется практическое использование ЭРДУ для КА.

Следует отметить, что пионером в области практического использования ЭРДУ на серийных КА была Россия, в частности, с 1982 г. применяются ЭРДУ на базе стационарных плазменных двигателей (СПД) на различных КА. Например, для коррекции наклонения орбиты на КА типа «Галс», «Экспресс», SESAT и другие разработки ОАO «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева.

Расширение сферы применения ЭРДУ и повышения их энергетических характеристик требует дальнейшего развития способов ускорения газового потока в канале ЭРДУ, что связано с развитием программ по полетам к планетам солнечной системы.

Во всех ракетных двигателях, преобразующих тепловую энергию химического топлива в кинетическую энергию продуктов сгорания для ускорения газового потока, используется сопло Лаваля, в котором может быть достигнута скорость до 5 км/с, при условии, что практически вся тепловая энергия продуктов сгорания будет трансформирована в кинетическую энергию газового потока. Скорость газового потока при ускорении в сопле Лаваля при наибольшем перепаде давления в потоке определяется простым соотношением

W =

2 k R 0 _T k - 1 µ ⁰

из которого следует, что для увеличения скорости следует выбирать рабочее тело с минимальным молекулярным весом µ . Если взять в качестве рабочего тела водород, то при нагреве его в ядерном реакторе до 2 500 К может быть получена наибольшая скорость истечения водородной струи. Подобный проект предполагается реализовать для пилотируемого полета к Марсу и для этого создан тепловой ядерный ракетный двигатель (проект NERVA [3]), в котором используется высокотемпературный газоохлажаемый ядерный реактор. Фактически в этом проекте будут исчерпаны возможности дальнейшего увеличения скорости в тепловых двигателях с соплами Лаваля.

В настоящее время широко применяется [2; 3] способ ускорения потока рабочего тела в канале ракетного двигателя, включающий предварительный газодинамический разгон потока и использование стационарного электрического разряда, поддерживаемого внешним источником напряжения, который осуществляет ионизацию рабочего тела и его электродинамический разгон. Электродинамическое ускорение потока реализуется с помощью электродинамической силы Лоренца, возникающей при взаимодействии с собственным магнитным полем электрического тока, протекающего через плазму. На основе этого эффекта создаются стационарные сильноточные плазменные ракетные двигатели, которые ускоряют плазму до скорости 100 км/с. В этих устройствах преобразуется электроэнергия внешнего источника в кинематическую энергию газового потока. Однако здесь для достижения нужного значения ускорения потока при относительно низких значениях магнитного поля приходится работать с рабочим телом очень малой плотности, что порождает ограничение на массовый расход рабочего тела. В результате тяга этих двигателей в настоящее время не превышает 0,5 Н и, в перспективе, может возрасти не более чем на порядок, что исключает возможность их применения в качестве основного маршевого двигателя космической транспортной системы. Попытка увеличить расход рабочего тела приводит к снижению температуры плазмы, которая при этом перестает быть полностью ионизованной. В частично ионизованной плазме создаются условия для развития перегревной неустойчивости, возникающей при выполнении двух условий: темп роста выделения тепла при протекании тока через плазму (джоулева диссипация) при росте температуры должен превысить темп роста энергопотерь из плазменного объема; джоулева диссипация в плазме должна превышать ее теплосодержание (энтальпию). Первое условие, как правило, всегда имеет место в частично ионизованной плазме из-за появления новых пар заряженных частиц (электрон-ион), что касается второго, то при скорости плазмы больше 20 км/с сообщенная ей кинетическая энергия более чем в 100 раз превысит ее энтальпию, что с неизбежностью приведет к развитию перегревной неустойчивости.

В работе рассматриваются вопросы повышения устойчивости плазмы к развитию перегревной неустойчивости при многократном увеличении расхода рабочего тела, что позволит пропорционально поднять тягу ЭРД.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ ускорения потока рабочего тела в канале ракетного двигателя, включающий предварительный газодинамический разгон потока и использование электрического разряда, поддерживаемого внешним источником постоянного напряжения, который осуществляет ионизацию рабочего тела и его электродинамический разгон. При этом ионизация и электродинамический разгон осуществляются от независимых внешних источников ЭДС, а ионизацию создают периодическими сильноточными разрядными импульсами от импульсного источника ЭДС, формирующими в потоке рабочего тела сгустки равновесной плазмы с температурой, превышающей 104 К, в которых далее в канале с внешним магнитным полем формируют при взаимодействии плазмы с магнитным полем токовые слои (Т-слои), поддерживая их постоянными источниками ЭДС, создавая в Т-слоях ускоряющую электродинамическую силу.

Основная масса рабочего тела (порядка 90 %) будет находиться в неэлектропроводных газовых участках течения, отделяемых друг от друга тонкими самоподдержи-вающимися плазменными слоями. По плазменным слоям течет ток от внешнего источника напряжения и его взаимодействие с внешним магнитным полем создает в плазме эффект плазменного поршня, толкающего газовый поток. Сильное гидромагнитное взаимодействие плазменного поршня с магнитным полем и газовым потоком приводит к известному магнитогидродинамическому эффекту – формированию устойчивой плазменной структуры, называемой Т-слоем [4]. Т-слой является стабильной фазой развития перегревной неустойчивости и представляет собой сильноточный дуговой разряд, в котором джоулева диссипация уравновешена радиационными потерями энергии. Кроме этого, на Т-слое устанавливается равновесие сил Лоренца и перепада газодинамического давления. При температуре, характерной для плазмы в Т-слое ~ 2 ∙ 104 К, температурная зависимость джоулевой диссипации имеет вид ~ Т3/2, в то время как радиационные потери зависят от температуры как ~ Т4, т. е. плазма Т-слоя абсолютно устойчива к перегревной неустойчивости. Для создания на основе эффекта Т-слоя слоистой структуры в потоке рабочего тела необходимо, чтобы устройство, генерирующее плазму в потоке работало не в непрерывном режиме, а пульсирующем импульсном, где каждый импульс формирует в газовом потоке плазменный сгусток. Подбирая значение внешнего электрического поля, создаваемого постоянными источниками ЭДС в канале с поперечным к потоку магнитным полем, добиваемся появления в объеме плазменных сгустков перегревной неустойчивости, развитие которой приводит к формированию Т-слоев.

Формирование Т-слоев является саморегулирующим процессом, в котором параметры равновесной плазмы соответствуют условию устойчивого разряда в полностью ионизованной плазме независимо от плотности потока рабочего тела, следовательно, поток может иметь большой массовый расход, а электрический ракетный двигатель с Т-слоями будет обладать высоким уровнем тяги. Так, например, при массовом расходе 5 г/с и скорости на выходе из двигателя 20 км/с, теоретическое значение тяги составит приблизительно 1 000 Н. Этот уровень соответствует параметрам маршевого двигателя космической транспортной установки с полезной нагрузкой до 100тонн.

ЭРД со слоистым газопламенным потоком, несущим Т-слои, будет использовать линейный электродный канал прямоугольного сечения с поперечным к потоку внешним магнитным полем. Движущиеся по ее электродам дуговые пятна обеспечивают кратковременный электрический контакт сильноточного разряда (Т-слоя) с поверхностью электродов (<10-5 с), в результате чего удастся избежать значительной дуговой эрозии материалов электродов и обеспечить необходимый ресурс их работы.

Потребление электроэнергии при этих параметрах двигателя составит 10 МВт, что потребует наличия мощного бортового источника электроэнергии. Таким источником может быть энергоустановка замкнутого цикла с МГД-генератором [4]. Первичным источником энергии энергоустановки может быть либо ядерный реактор (типа NERVA), либо солнечный коллектор, концентрирующий и направляющий излучение Солнца в аккумулятор тепла. Расчеты, выполненные в варианте ядерного реактора, показали, что на основе МГД-генератора замкнутого цикла может быть создана космическая энергетическая установка с показателем удельной мощности ~ 2 000 Вт/кг. Соединив энергетическую и двигательную установки в единый бортовой комплекс, можно создать эффективную космическую транспортную систему, которая, к примеру, для пилотируемого полета к Марсу потребует запаса рабочего тела в 100 тонн, а не 600 тонн, как предусматривается по проекту с тепловыми ядерными ракетными двигателями к Марсу, может быть сокращена с 1,5 лет до 1,5 месяцев.

На рисунке показано устройство, обеспечивающее ускорения газового потока [5].

Устройство содержит сверхзвуковое сопло 1 ; систему 2 импульсной предионизации (в качестве варианта реализации способа может быть предложено устройство импульсной инжекции электронного пучка) для создания первоначального электропроводного канала; систему 3 для периодического импульсного сильноточного разряда; электроды 4 канала МГД-ускорителя, подключенные к постоянным источникам напряжения; обмотку 5 сверхпроводящего электромагнита; электропроводные слои плазмы (Т-слои) 6 ; канал 7 МГД-ускорителя; система 8 - электропитание МГД-ускорителя.

Ускорение газового потока осуществляется следующим образом. Нагретый инертный газ (например, ксе- нон), температура и давление которого задается температурным режимом источника тепла (в варианте ядер-ного реактора Т = 2 500 К, Р = 20 атм) разгоняют в сверхзвуковом сопле 1. Перед входом в канал МГД-ускорителя периодически с заданной частотой с помощью системы 2 инжектируются пучком электронов высокой энергии, в результате чего в газовом потоке возникают неравновесные электропроводные плазменные слои. Дальнейший нагрев плазмы в режиме сильноточного равновесного дугового разряда осуществляется импульсной разрядной системой 3, которая запускается самостоятельно при замыкании электродов разрядника первоначальным неравновесным плазменным сгустком. При этом энергия, вводимая в плазму, подбирается так, чтобы температура плазмы в сгустке превысила 104 К. Далее газовый поток вносит электропроводные Т-слои 6 в канал МГД-ускорителя, где плазменные сгустки замыкают электроды 4, подключенные к внешней системе электропитания 8. Ток в плазме взаимодействует с магнитным полем, созданным сверхпроводящим магнитом 5, и при этом из плазменных сгустков формируются токовые слои (Т-слои), в которых возникает электродинамическая сила, вызывающая ускорение потока.

Устройство ускорения газового потока: 1 - сопло Лаваля;

2 - система импульсной ионизации; 3 - система импульсного сильнопоточного разряда; 4 - электроды; 5 - обмотка сверхпроводящего магнита; 6 - слои плазмы (Т-слои);

7 - канал МГД-ускорителя; 8 - система электропитания МГД-ускорителя

Численное моделирование процесса ускорения слоистого газопламенного течения рабочего тела (ксенона), реализующего описанный способ, показало, что может быть достигнут режим со следующими параметрами эффективности [6] для двигателя тягой 1 400 Н: средняя скоро сть потока на выходе из двигателя 20 км/с; длина канала МГД-ускорителя 1 м; массовый расход рабочего тела 70 г/с; оптимальное магнитное поле 10 Т; максимальная напряженность электриче ского поля 2 кВ/см; потребляемая электрическая мощность 14 МВт; КПД процесса трансформации электроэнергии в кинетическую энергию рабочего тела составит 95 %.