Elektriline rakettmootor

Elektrotermilised rakettmootorid

Kolm peamist elektrotermiliste rakettmootorite klassi on takistuslikud, mikrolaine- ning kaarlahendusmootorid. Nende kõigi tööpõhimõte seisneb tõukeaine kuumutamises elektrienergiaga, misjärel termodünaamika hoolitseb tõukeaine kiirendamise eest düüsist välja.
Ehkki elektrotermilised mootorid erinevad keemilistest vaid energia allika näol, tekitab see olulised erinevused, mis määravad ära sobivad kasutusvaldkonnad.
Keemilised rakettmootorid on piiratud reaktsiooni kiiruse ja põlemiskambri seinte temperatuuriga, seetõttu jääb efektiivne väljumiskiirus 3 km/s piiresse. Elektrilised rakettmootorid on üldjuhul võimelised saavutama suuremaid väljumiskiirusi, ent ei suuda tagada võrreldavaid hetkevõimsusi (massi voogu). See tähendab, et sama kiiruse muudatuse kohta kulub vähem tõukeainet, kuid selle saavutamine nõuab rohkem aega. Reaktiivjoa väljumiskiirus on fundamentaalselt piiratud helikiirusega mootori kuumutuskambris, mis omakorda on piiratud tõukeaine temperatuuriga kambris ja seega kambri seinte materjaliga.
Elektrotermilisi mootoreid kasutatakse peamiselt asendimuutmis- või orbiidisäilitusmootoritena, milles nende väike, täpselt juhitav tõukejõud ning võrreldes ühekomponentsetel kütustel töötavate mootoritega parem tõukeainesäästlikkus on eelisteks. Suurtel satelliitidel, millel on juba olemas piisav elektritootmisvõimekus, on nad liiga väikese tõukejõuga, et efektiivselt täita peamootori ülesandeid.

Takistuslikud mootorid

Takistuslike rakettmootorite puhul voolab tõukeaine üle (või läbi) elektriliselt köetava elemendi, mis kuumutab tõukeaine kõrgele temperatuurile. Materjali piirangud, mis mõjutavad keemilisi rakettmootoreid, kehtivad ka siin: kütte-elemendi maksimaalne temperatuur on piiratud selle materjali sulamistemperatuuriga. Praktiliseks piiriks on ~2700 K, mis H₂ tõukeaine puhul vastab väljumiskiirusele ~10 000 m/s, praktilisemate kütustega ca. 3500 m/s. Eeliseks kütus-oksüdeerija-mootori ees on võrreldav võimekus lihtsama disainiga, eeliseks ühekomponentsete kütustega põtkurite ees suurem joakiirus ja säästlikum tõukeaine kasutus.
Tüüpiline takistuslik rakettmootor töötab hüdrasiiniga, toodab u. 0.3 N tõukejõudu 500–750 W elektrienergiaga.

Kaarlahendusmootorid

Kaarlahendusmootori puhul on takistuslik kütteelement asendatud kaarlahendusega läbi tõukeaineks oleva gaasi. Suunates kaarleegi asukohta, saab kuumutada tõukeaine kohati kuni 20 000 K, hoides samal ajal soojuskaod kambri seintele (ja seega ka seinte temperatuuri) kontrolli all. Piirid seab elektroodide temperatuur kaarleegi otstes, mis jällegi, ei tohi ületada u. 3000 K. See on võimalik, kuna kaarlahendused tekitavad seina lähedal varjestava efekti, mis sunnib lahenduse otsa laienema, vähendades energiatihedust, ning kuna elektroodist üle voolav tõukeaine jahutab seda . Tööaeg on peamiselt piiratud elektroodide erosiooniga kaarleegi poolt.
2001. aasta seisuga olid regulaarselt kasutuses hüdrasiini kasutavad kaarlahendusmootorid väljumiskiirusega 5–6 km/s, võimsusega 2 kW ja tõukejõuga ca. 1/4 N.

Mikrolaine- ja induktsioonmootor

Kolmas võimalus tõukeaine kuumutamiseks on radiatiivsed meetodid: mikrolained või induktsioon. Võrreldes ülejäänud meetoditega on eeliseks termoelemendi või elektroodide ehk temperatuuri koondumispunktide puudumine, puuduseks magnetronide väike efektiivsus võrreldes otsese kuumutamisega. Disain on küllaltki hästi miniaturiseeritav. Seni on tegu katsetusjärgus aparaatidega.

Tõukeained

Reaktiivmootori töö aluseks on impulsi jäävuse seadus: et suurendada sõiduki kiirust ühes suunas, tuleb kiirendada reaktsioonimassi ehk tõukeainet vastassuunas, ning rakettmootor on definitsiooni järgi sunnitud kogu vajaliku tõukeaine endaga kaasa võtma.
Keemilistes rakettides koosneb tõukeaine üldjuhul oksüdeerija ja kütuse reaktsioonijääkidest või ühekomponentse kütuse laguproduktidest. Olulised on kütuse energiatihedus ning laguproduktide madal molekulaarmass, viimane seetõttu, et sellega kaasneb suurem reaktiivjoa kiirus ja vastavalt väiksem kütusekulu sama suure raketi kiirenduse kohta.
See omakorda suurendab raketi kasuliku lasti osakaalu.
Elektrilistes rakettmootorites tuleneb mootori energia mitte keemilisest reaktsioonist, vaid välisest elektrienergia allikast. See tähendab, et puudub vajadus oksüdeerija järele, ning tõukeaine ei pea olema kütus. Sisuliselt võib tõukeainena kasutada iga ainet, mida on võimalik sobivas koguses mootorisse toita. Loomulikult on mugav, kui aine on lihtsalt käsitsetav, pole korrosiivne ega mürgine.

Elektrotermilised mootorid

Elektrotermilistele mootoritele kehtib tavaline keemiliste rakettmootorite reegel: madalama aatommassiga tõukeained on eelistatumad. Seetõttu eelistatakse kergeid gaase: H₂, O₂, N₂, H₂O,
CO₂, NH₃ ning CH₄, samuti hüdrasiini (N₂H₄) katalüütilise lagunemise produkte. Viimase puhul saab lisaks vähendada vajalikku elektrivõimsust: hüdrasiin on ühekomponentne kütus, mille lagunemine on tugevalt eksotermiline, tõstes temperatuuri juba ise 700 kraadini.
Mööndusi tuleb teha tõukeainete säilitamise raskuste tõttu: enamik kaheaatomilisi gaase vajavad vedelal kujul säilitamiseks krüogeenilist jahutamist, mis pikkadel perioodidel, mis on tüüpilised elektriliste rakettmootorite kasutusvaldkondadele, muudab raketi konstruktsiooni keerukaks.