Электродуговые двигатели

По сути это тот же класс термоэлектрических двигателей, в которых нагрев топливного газа происходит с помощью электрической дуги. Существует несколько разновидностей, которые делятся по источникам энергии: это двигатели постоянного тока ( Direct Current (DC) arcjet ); двигатели с переменным напряжением (Alternating Current (AC) arcjet) и импульсные электрические двигатели (Pulsed Electrothermal Thruster (PET)).

Наиболее развита система с постоянным током. В ней двигатель имеет симметричную цилиндрическую форму и состоит из катода, анода (который формирует напорную камеру, канал констриктера и сопло) и топливного инжектора. Во время работы сильный электроток (до нескольких сотен Амперов) формирует дугу с низкой разностью потенциалов (около 100 Вольтов). Дуга устанавливается как ламинарный столб от катодного наконечника, через канал констриктера, к аноду . Топливный газ образовывает завихрение в констрикторе из-за инжекционных портов, расположенных позади катода. Завихрение нужно, чтобы стабилизировать дугу и сводить горячий поток газа к оси вихря, тем самым не перегревая электроды и стенки камеры, в то же время делая более длинным и эффективным контакт газа с дугой. Температура внутри дуги достигает 30-50 тыс К и полностью ионизирует газ на оси констриктера, что из-за хорошей проводимости ионизированного газа приводит к сильному радиальному температурному градиенту. Это позволяет быть температуре на оси газа очень высокой и в то же время не плавить сопло, через которое он выбрасывается. Тяга такого двигателя ограничена только доступной мощностью, в то время как удельный импульс ограничен жаропрочными свойствами материала сопла.

Типичными компонентами топлива для электродуговых двигателей служат аммиак, водород и гидразин с добавками, которые понижают температуру и обеспечивают более высокий удельный импульс. Жидкий аммиак и гидразин более удобны в хранении ( не нуждаются ни в каком охлаждении и быстро диссоциируют в двигателе в низкомолекулярную разновидность), но обеспечивают более низкий удельный импульс и КПД чем у водорода.

Типичный кпд двигателя с топливом аммиака - 30 % при удельном ипульсе 800 с. С водородным топливом достигались импульсы в 900-2300 с при мощности 30-200 кВт. Удельный импульс для гидразина составляет 500-600 с, а кпд около 35% при мощности порядка 0,5-2 киловата.

набор из 4-х гидразиновых двигателей производства Olin Aerospace Co. с импульсом в 500 с

Появление электродуговых двигателей с переменным напряжением было вызвано доступностью небольших ядерных установок, производящих электричество с переменным током. Единственная разница в устройстве по сравнению с двигателями постоянного тока - это многофазная дуга переменного тока, которая заставляет области анодного падения напряжения чередоваться между большим электродом форсунки и центральным электродом. Это усложнило электронную начинку двигателя, к тому же из-за двойного цикла уменьшается жизнь электрода и соответственно срок службы двигателя. Для двигателя на водородном топливе был достигнут удельный импульс в 1050 с при мощности 30 кВт и кпд 38%.

Импульсные электрические двигатели производят тягу, выбрасывая высокоскоростную плазму из обычной ультразвуковой форсунки. Устройство этого двигателя состоит из узкого цилиндрического камерного или капиллярного входа форсунки сходящегося в конус. Капилляр закрыт расположенным выше по ходу катодом, в качестве анода выступает форсунка с соплом. Топливный газ с постоянной скоростью вводится в камеру через катод или капиллярную стенку. В конструкции импульсного двигателя источник электроэнергии используется чтобы зарядить конденсаторы формирования импульса. Когда пластины конденсатора заряжаются до разности потенциалов, при которой происходит пробой топлива, в капилляре на электродах формируется электрическая дуга. Использование самопробоя топлива делает ненужным использование переключателя или пусковой цепи. Энергия, накопленная на конденсаторах, передается топливному газу в коротких 3-10 микросекундных взрывах при частотах цикла работы двигателя в несколько килогерц.

Конструкция электрического импульсного двигателя

Импульсные электрические двигатели устойчиво функционируют на всех проверенных уровнях мощности, хотя основная масса экспериментов проводилась в диапазоне 50-200 Вт. Максимальный удельный импульс в 335 с был достигнут с топливом из гелия при мощности 155 Вт и кпд 32%. Максимальный достигнутый кпд состовлял 50%.