10. Летательные аппараты с электрическими ракетными двигателями

10. Летательные аппараты с электрическими ракетными двигателями

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) – это двигатель, в котором источником энергии для создания тяги является электрическая энергия бортовой энергоустановки летательного аппарата (обычно в этом качестве используют солнечные или аккумуляторные батареи). По принципу действия ЭРД разделяются на электротермические, электростатические и электромагнитные ракетные двигатели.

Одними из первых появились электростатические РД, опыты с ними в 1916–1917 гг. проводил американец Р. Годдард, возможность их создания рассматривал в 1923 г. немец Г. Оберт в своей книге «Путь в мировое пространство». В электростатическом РД, например ионном, вначале производится ионизация рабочего тела двигателя, после чего положительные ионы при помощи системы электродов ускоряются в электростатическом поле и, истекая из реактивного сопла, создают тягу (для нейтрализации заряда реактивной струи в нее необходимо инжектировать электроны).

В СССР начало работ по ЭРД относится к 1929 г., когда в составе ГДЛ было организовано подразделение по разработке электрических и жидкостных ракетных двигателей и ракет. В 1928–1929 гг. В.П. Глушко, будущий генеральный конструктор ракетных двигателей, академик, работая над своим студенческим дипломом, предложил конструкцию «гелиоракетоплана» – космического корабля с ЭРД, питаемыми от солнечных батарей. «Гелиоракетоплан» представлял собой диск, поверхность которого покрывалась солнечными батареями, а в центре располагались куполообразная кабина и блок электротермических ракетных двигателей.

В электротермическом РД электрическая энергия, полученная от солнечных батарей, применяется для нагрева рабочего тела с целью превращения его в газ высокой температуры, который, истекая из реактивного сопла, создает тягу. В 1929–1930 гг. в ГДЛ теоретически и экспериментально была доказана работоспособность таких ЭРД, использующих в качестве рабочего тела, например, непрерывно подаваемые металлические проволоки, взрываемые с заданной частотой электрическим током в камере с соплом.

В Германии к работам по созданию ракет с силовой установкой на основе электроракетных двигателей, использующих энергию солнечных батарей, приступил в начале 1930-х гг. доктор Франц Филипп. Сведения о его работах очень скудны, известно лишь то, что с 1934 г. он сконцентрировал свои усилия на исследованиях в достижении Луны с помощью так называемой солнечной ракеты, в этом ему оказывал покровительство сам Гитлер, с которым Филипп вместе служил во время Первой мировой войны. Были предприняты попытки запуска ракеты, конструктивно походившей на ранние ракеты фон Брауна из A-ряда, но покрытой плоскими солнечными батареями. Хотя в своей послевоенной книге «Немецкий космический полет начиная с 1934: Очень неприятная книга» Филипп утверждал, что запуск прошел успешно, но этому нет никаких документальных подтверждений.

Перед войной доктор Филипп разработал ряд проектов летательных аппаратов под названием Frali. Первый из них, Frali I, был предложен в сентябре 1938 г., конструктивно он представлял собой дирижабль с хвостовым килем, напоминавшим рыбий хвост, но его корпус был покрыт панелями солнечных батарей. Последний из этого ряда, Frali VI, имел цилиндрическую форму корпуса с коническим носом и квадратным хвостовым килем, аппарат по всей поверхности корпуса был покрыт панелями солнечных батарей.

Во время войны Филипп разработал два проекта дископодобных аппаратов. Первый из аппаратов назывался Greif («Грифон») и оснащался четырьмя ЭРД, установленными по периметру корпуса. Двигатели использовали энергию, получаемую от панелей солнечных батарей. Последний аппарат, Sonnenflieger («Солнечный летчик»), представлял собой диск большого диаметра с куполообразной кабиной в центре. Корпус аппарата был покрыт панелями солнечных батарей, на земле аппарат стоял на телескопических опорах. Однако до конца войны ни один из проектов аппаратов Филиппа не был доведен до реализации.

Параллельно с Ф. Филиппом проблемой создания летательного аппарата с ЭРД занимался австрийский физик доктор Карл Новак. В марте 1943 г. он получил немецкий патент № 905847 на двигатель, работающий на основе реакции взаимодействия атмосферных кислорода и азота при высоких температурах. Суть заключалась в том, что в камере сгорания двигателя создавалась череда высоковольтных разрядов, приводящих, по расчетам автора изобретения, к повышению температуры в камере до нескольких тысяч градусов Цельсия. Этот процесс напоминал процесс, происходящий при ударе молнии в атмосфере. Однако такую высокую температуру не может выдержать ни один из конструкционных материалов, поэтому стенки камеры сгорания должны были охлаждаться жидким гелием, который в результате нагревания испарялся и вместе с образовавшимся оксидом азота подавался в реактивное сопло, увеличивая тягу двигателя.

Двигатель подобной конструкции запатентовал уже после войны Бруно Швентайт, участник работ по созданию немецких дископодобных летательных аппаратов. Он же утверждал, что исследования такого типа двигателя велись в рамках проектов дисков, над которыми работали Мите, Шривер, Хабермоль и др. (см. выше). Однако сведений о практической реализации ЭРД в качестве силовой установки летательного аппарата в военный период нет.

Тем не менее исследования ЭРД в довоенный и военный периоды позволили определить область их эффективного применения – для полетов в космосе. После войны двигатели этого класса нашли практическое применение в космических аппаратах для обеспечения ориентации и коррекции траектории полета. Впервые в мире Советским Союзом в реальных условиях полета по космическим орбитам были применены ионные и плазменные ЭРД на корабле «Восход» и автоматической станции «Зонд-2» в 1964 г. В ряде стран разрабатываются образцы ЭРД, предназначенные для использования в качестве основных двигателей для дальних межпланетных полетов.