Концепция электрического водородного ракетного двигателя (ЭВРД)

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

Обсуждение результатов. Увеличение поверхностного сопротивления R^ и уменьшение подвижности зарядов ц связано с уменьшением толщины фольги при уменьшении массы графита. Возможно, это связано с уплотнением материала графита при высоком давлении под прессом. Обращают на себя внимание довольно высокие отношения интенсивностей пиков Ьб/ Ig, достигающие значений 0,4 - 0,5. Видимо, это связано с некоторым расслоением графита в поверхностных слоях при «снятии» прессующей нагрузки.

Список использованной литературы:

1. «Физико-химические основы горения и газификации топлива» Лавров Н.В. 1957, стр. 128 (всего стр. 288);

2. Выдержка из книги «Теплопередача 1964» Шорин С.Н. 1964, общ. число стр.492, стр. 120;

3. Композиционные наноматериалы на основе интеркалированного графита. Н. Е Сорокина, В.В.Авдеев, А.С.Тихомиров, М.А. Лутфуллин, М.И. Саидоминов. Учебное пособие. М., 2010;

4. Б. Больщиков, А.Халявин, В. Барган. Наноконденсатор: новый путь к получению унифицированных керамических емкостных элементов. Электронные компоненты №6, 2010, 42-44;

5. А. М. Ламанов Эмиссионные свойства и структура поверхности графитовых фольг. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 2005;

6. Способ изготовления низкоплотных материалов и низкоплотный материал - патент РФ 2525488 (20.08.2014)].

©Капитонов А Н., Егорова М.Н., 2016

УДК 629.7.036

B. Е. Жук

Ведущий специалист,

ООО «Научно - исследовательская лаборатория аэрокосмической техники»,

г. Калуга, Российская Федерация

C. Б. Жук

Ассистент кафедры К5 - КФ «Прикладная механика»,

КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана, г. Калуга, Российская Федерация

КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОДОРОДНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Аннотация

Рассматривается концепция ионного ракетного двигателя, рабочим телом которого является водород. Предлагается техническое решение проблемы ионизации водорода и эффективного разделения протонов и электронов.

Ключевые слова

Ракетный двигатель, ионный, плазменный, рабочее тело, водород, электроракетный,

космический аппарат, ионизатор.

В настоящее время в двигательных установках космических аппаратов (КА) широко используются электрические ракетные двигатели (ЭРД), работа которых основана на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. Главной особенностью ЭРД является получение

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070_

реактивной тяги за счёт использования электрической энергии для ускорения частиц рабочего тела (РТ). Основные преимущества ЭРД - это высокая скорость истечения РТ и малый его расход.

В ионных и плазменных ЭРД рабочее тело ионизируется, после чего положительные ионы ускоряются в электромагнитном поле и, истекая из сопла, создают тягу. Так как электрическое поле придаёт равные по модулю, но противоположные по знаку импульсы положительным и отрицательным зарядам, для получения тяги в ЭРД возникает необходимость разделения разноименных зарядов и вывода из зоны действия ускоряющего поля электронов, чтобы разогнать ионы. Однако разделению зарядов препятствуют кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными сгустками плазмы. Применяемые в существующих ЭРД методы разделения ионов и электронов не эффективны. Это является одним из недостатков двигателей.

Другим недостатком современных ионных и плазменных ЭРД является то, что в качестве рабочего тела используется ксенон.

Описанная в данной статье концепция электрического водородного ракетного двигателя (ЭВРД) основана на утверждении, что единственным перспективным альтернативным рабочим телом для ЭРД является водород [1].

Перед тем, как перейти к описанию ЭВРД, напомним, что атом водорода содержит один протон и один электрон. В его ядре отсутствуют нейтроны. Если от атома водорода оторвать отрицательно заряженный электрон, то останется ион водорода H+, т. е. протон. Таким образом, ионизация водорода - это расщепление атома на две элементарные заряженные частицы - электрон и протон.

ЭВРД представляет собой ускоритель заряженных частиц прямого действия, в котором ускоряемая частица движется в постоянном электрическом поле. Рабочим телом ЭВРД, как следует из названия, является водород.

Для решения проблемы ионизации водорода и разделения электронов и протонов в ЭВРД предлагается использовать физико-химческие процессы, заимствованные у топливного элемента (ТЭ), а именно, процессы, протекающие на аноде.

В водородно-кислородных топливных элементах анод изготавливается, как правило, из углеродного газодиффузионного материала, покрытого катализатором с высоким содержанием платины (Pt). Анод в ТЭ выполняет несколько задач, которые как нельзя лучше востребованы в ЭВРД:

- анод пропускает через себя водород, так как имеет пористую (газодиффузионную) структуру;

- на катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны, таким образом, производится расщепление водорода на электроны и протоны;

- анод имеет хорошую электропроводность, поэтому электроны отдаются во внешнюю цепь, подключенную к нему;

- протоны от анода проводятся через специальную мембрану к катоду, таким образом, протоны отделяются от электронов.

Анод ТЭ может быть использован в ЭВРД в качестве эффективного, не потребляющего энергии, ионизатора рабочего тела. В предлагаемом ЭВРД, как и в ТЭ, атомы водорода пропускаются через углеродный слой анода, и попадают на катализатор. На поверхности катализатора водород адсорбируется и диссоциирует с образованием атомарного водорода. Последний, отдавая платине электрон, переходит в положительно заряженный протон.

Под действием разности потенциалов, создаваемых внешним источником напряжения, протоны «вытягиваются» из анода и ускоряются электрическим полем между анодом и катодом. Катод выполнен в виде сетки, поэтому ускоренные протоны, пролетая сквозь него, вылетают из ЭВРД, образуя реактивную струю и, соответственно, тягу. Электроны, отбираемые у атомов водорода на аноде, по внешней электрической цепи под действием ЭДС источника напряжения направляются в катод-нейтрализатор, посредством которого инжектируются за катодом в струю протонов для нейтрализации её заряда и заряда КА. Схематично устройство ЭВРД показано на рисунке 1.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №6/2016 ISSN 2410-6070

Рисунок 1 - Устройство ЭВРД

Мембрана в ТЭ выполняет важную функцию - она пропускает сквозь себя протоны, но задерживает атомарный водород и электроны. Поэтому мембрана приближает степень ионизации Н2 к единице. К сожалению, протонообменные мембраны ТЭ являются гидратированными (влагосодержащими) и постоянно смачиваются водой, образующейся на катоде ТЭ [2]. Но в ЭВРД катод не используется, реакции образования воды нет, поэтому такая мембрана должна работать в сухом режиме, на который она не рассчитана. Сухой режим работы усугубляется ещё и космическим вакуумом, необходимым для работы ЭРД. Поэтому протонообменная мембрана в ЭВРД не применима. Но для ЭВРД очень важны такие параметры, как степень ионизации атомов водорода (чем ближе к единице, тем лучше), и значение плотности электрического тока анода. И вероятно, при отсутствии мембраны, эти параметры можно максимизировать повышением плотности анода и изменением количества катализатора на нём.

Главными параметрами двигателя - тягой и скоростью истечения протонов можно оперативно управлять посредством изменения подаваемой массы водорода и величины напряжения ускоряющего поля.

Предварительные расчёты показали, что при использовании водорода в ЭРД не требуется большой разности потенциалов электрического поля для разгона протонов в диапазоне оптимальных скоростей истечения, достаточно напряжения всего в десятки вольт [1]. Это позволяет обойтись без высоковольтного преобразователя напряжения, упростить таким образом систему электропитания ЭВРД, увеличить КПД, а также уменьшить расстояние между анодом и катодом и сделать ЭВРД плоским.

«Плоская» конструкция позволяет создать базовую унифицированную ячейку ЭВРД и наращивать мощность двигателя простым увеличением количества таких ячеек на плоскости двигательной установки без изменения напряжения электрического поля.

Список использованной литературы

1. Жук В. Е., Жук С. Б., Применение водорода в электроракетных двигателях. Инновационные технологии нового тысячелетия. Сборник статей Международной научно - практической конференции, в 3 ч. ч.2 / - Уфа: НИЦ АЭТЕРНА, 2016. стр. 33-36.

2. Добровольский Ю. А., Волков Е. В., Писарева А. В., Федотов Ю. А., Лихачев Д. Ю., Русанов А. Л. Протонообменные мембраны для водородно-воздушных топливных элементов. Российский химический журнал (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева) 2006, т. L, № 6. стр. 95-104.

3. Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., Атомиздат, 1975 г.

© Жук В. Е., Жук С. Б., 2016 г.