Электротермические двигатели

Газообразное состояние вещества, при котором от его молекул или атомов оторваны один электрон или более и, таким образом, вещество представляет собой в целом нейтральную смесь из положительно заряженных частиц — осколков молекул или атомов — и свободных электронов, называется плазмой. Таким названием она обязана американскому ученому Ленгмюру, проводившему опыты по исследованию этого своеобразного вещества в газоразрядных трубках.

В камере сгорания ракетного двигателя, работающего на химическом топливе, газы сильно разогреваются и затем при расширении в сопле их тепловая энергия переходит в кинетическую. Материальные частицы можно ускорять и другим способом. Например, когда они обладают электрическим зарядом, разгон частиц может быть обеспечен наложением электрического поля. Плазма и служит в качестве рабочего тела для так называемых электротермических двигателей, т. е. таких, в которых, кроме температуры, обеспечивающей получение и последующий разгон плазмы, для ее ускорения используются также электрические силы.

Уже теперь типы электротермических двигателей весьма разнообразны¹, однако они еще четко не классифицированы. Поэтому зачастую, встречая то или иное название двигателя, нельзя сразу представить себе, о какой схеме идет речь.

¹ М. Gamас. «Astronautics», 1959, vol. 4, № 10, p. 31-33, 113-115.

По характеру используемого рабочего тела электротермические двигатели удобно разделить (рис. 7) на плазменные, в которых происходит ускорение неразделенной плазмы, и ионные, в которых ионы и электроны плазмы предварительно разделяются и лишь затем осуществляется разгон ионов с их последующей нейтрализацией электронами при выходе из сопла двигателя.

Плазменные двигатели, в свою очередь, по способу ускорения рабочего тела можно разделить на термические, магнито-электричсские и двигатели с магнитным давлением. В термических двигателях ускорение плазмы обеспечивается главным образом за счет ее теплового расширения. Высокотемпературный нагрев при этом осуществляется, например, за счет использования электрической дуги, и поэтому двигатель может быть назван термическим электродуговым, либо путем применения токов высокой частоты, что позволяет назвать двигатель термическим высокочастотным.

Рис. 7. Классификация электротермических двигателей

Термические двигатели могут служить источником горячей плазмы для других типов двигателей, в которых дальнейший разгон плазмы обеспечивается за счет пересекающихся магнитных и электрических полей или за счет магнитного давления.

Можно отметить, что плазменные двигатели в зависимости от температуры (которая принципиально может составлять от нескольких тысяч до 150 и более тысяч градусов) могут обеспечивать тягу за счет использования различных физических процессов, возникающих в рабочем теле.

При сравнительно низких температурах тяга будет получаться за счет непосредственного выбрасывания разогнанных и сфокусированных частиц, составляющих струю плазмы. При очень высоких температурах тяга все в большей степени будет создаваться за счет светового (квантового) излучения. Предполагается, что при температуре 150 000°К может быть достигнуто излучение абсолютно черного тела. При этом энергия, введенная в плазму, будет превращаться в излучение¹ и световое давление может оказаться существенным.

¹ Напомним, что если бы удалось получить термоядерную реакцию в самой плазме, энергия выделялась бы за счет убывания лишь примерно ¹/₁₀₀ массы вещества, участвующего в реакции. Можно предположить также, что энергия подводится к плазме от внешнего источника.

Таким образом, «горячий» плазменный двигатель при повышении температуры становится «лучевым»-фотонным или квантовым двигателем. При этом нужно иметь в виду, что, как и ранее, приведенное название двигателя — фотонный — характеризует лишь то рабочее тело, за счет выбрасывания «радиации» которого создается тяга.