Введение

Внастоящее время электрические ракетные двигатели (ЭРД) широко применяются в двигательных установках космических аппаратов (КА), выполняя важную роль в управлении положением КА в условиях космического пространства. Актуальность работы обусловлена большим числом КА, снабженных ЭРД. Например, 676 КА по состоянию на 22 марта 2023 года эксплуатировались в космосе с продукцией АО «ОКБ «Факел», основной продукцией которого являются ЭРД [1].

Постановка задачи. Таким образом, цель данной работы заключается в анализе и систематизации знаний о перспективах применения ЭРД в современных КА. Для достижения цели были поставлены следующие задачи :

— провести систематизацию определения ЭРД, рассмотреть историю их создания и классификацию;

— выявить преимущества и недостатки ЭРД по сравнению с ЖРД;

— обосновать целесообразность и эффективность использования ЭРД в космических аппаратах и модулях орбитальных станций.

Основная часть.

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) — это ракетный двигатель, использующий электрическую энергию, полученную от бортовой энергоустановки (солнечные батареи и аккумуляторные батареи), в качестве внешнего источника энергии для ускорения выбрасываемого рабочего тела.

В 1911 году Константин Эдуардович Циолковский впервые сформулировал идею применения ЭРД. Он писал об использовании электрических сил для создания реактивной тяги [2, 3]. В 1916–17 годах Роберт Годдард проводил опыты, подтвердив возможность использования электрической энергии для получения реактивной тяги [4]. В 1929 году Герман Оберт в своей книге писал про характеристики работы ЭРД [2]. В 1929–33 годах Валентин Петрович Глушко создал первый экспериментальный электротермический ракетный двигатель [4, 2]. В 1964 году впервые в полете был использован электромагнитный импульсный ракетный двигатель, установленный на советском КА «Зонд-2» [4, 3]. В 1964–65 годах в США были испытаны электростатический и электротермический ракетные двигатели, соответственно [4]. В 1966 году в СССР были проведены космические испытания ионных двигателей [2]. Практическое применение стационарных плазменных двигателей (СПД) в космических аппаратах (КА) началось в СССР с запущенного в 1971 году спутника «Метеор-1–10» с плазменным двигателем «Эол-1» (СПД-60) [5, 3]. С тех пор множество ЭРД были установлены на КА.

Главным отличием ЭРД от ЖРД является использование внешнего источника энергии — электрической энергии — для создания тяги [6].

Рабочее тело (ускоряемое вещество) в ЖРД — это продукты сгорания компонентов ракетного топлива (высококалорийных смесей), а источник энергии для ускорения выбрасываемого рабочего тела — химическая энергия компонентов ракетного топлива [2]. В ЖРД разгон рабочего тела осуществляется за счет химической энергии, запасенной в компонентах ракетного топлива и выделяющейся при их сгорании [6].

В ЭРД рабочее тело и источник энергии разделены. Рабочим телом является инертный газ (для СПД), а источником энергии служит электрическая энергия, полученная от солнечных батарей КА. Электрическая энергия необходима для ионизации газа и ускорения ионов газа.

Главное преимущество ЭРД перед ЖРД заключается в высоком удельном импульсе истечения рабочего тела. Например, удельный импульс топливной пары ЖРД кислород-керосин составляет 3300 м/с, а удельный импульс ЭРД может превышать этот показатель на порядок [7, 6]. Второе преимущество ЭРД заключается в том, что высокий удельный импульс ведет к значительному сокращению требуемых запасов рабочего тела. В-третьих, время работы ЭРД достигает десятков тысяч часов. Например, время работы двигателя СПД-140Д составляет свыше 19000 часов [1]. Двигатель СПД-140Д представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Слева — СПД-140Д [8], справа — СПД-140Д в процессе работы [9]

Основной недостаток, присущий ЭРД, включает в себя низкую тягу (5–500 мН) из-за ограничения генерируемой электроэнергии СБ [3]. Например, тяга, развиваемая двигателем СПД-140Д, составляет 271 мН. Второй недостаток — это эрозия разрядного канала. Причина заключается в том, что высокоэнергетические ионы рабочего тела бомбардируют стенки канала, выбивая частицы материала [10].

По принципу действия ЭРД делятся на четыре основных класса [11, 3]. Из всех типов ЭРД наиболее отработаны и часто используются в КА ионные и холловские благодаря своим относительно высоким эксплуатационным характеристикам. Таким, как удельный импульс, КПД и ресурс. Реже используются электротермические и импульсные плазменные двигатели, в основном на малых КА [14].

Существует три типа КА: автоматические КА, космические корабли и орбитальные станции [12]. Как видно из истории, ЭРД широко применяются в автоматических КА, не применяются на пилотируемых космических кораблях и единожды были применены в модуле орбитальной станции.

Первый в мире случай применения ЭРД для поддержания орбиты космической станции относится к Китайской космической станции «Тяньгун». ЭРДУ базового модуля «Тяньхэ» состоит из четырех холловских двигателей. В случае непрерывной работы ЭРД высота орбиты станции «Тяньгун» уменьшается на 7 км в течение 100 дней. Без использования ЭРД высота орбита уменьшается на 30 км за 100 дней. Использование ЭРД помогает заметно замедлить орбитальный спад станции. Также ЭРД экономит не менее 800 кг химического топлива в год для ЖРД, снизив давление на транспортный грузовой корабль «Тяньчжоу» [13]. Это доказывает актуальность внедрения ЭРД для модуля станции.

Заключение

Таким образом, в результате работы были рассмотрены перспективы применения электрических ракетных двигателей в космических аппаратах. Систематизированы определение ЭРД, исторический контекст их разработки и классификации. Сравнение характеристик и принципов работы ЭРД и ЖРД продемонстрировал высокую эффективность и целесообразность использования ЭРД. Благодаря высокому удельному импульсу и экономичному расходу рабочего тела, ЭРД являются оптимальным решением для продолжительных миссий, открывая новые возможности для проектирования космических аппаратов и реализации амбициозных космических проектов. В будущем стоит ожидать более широкого применения ЭРД в самых разнообразных областях космонавтики. Например, использование ЭРД в модулях орбитальных станций для поддержания орбиты станции.

Литература:

1. Абраменков Г. В., Вертаков Н. М., Дронов П. А., Каплин М. А., Приданников С. Ю. Ракетные двигатели АО «ОКБ Факел» для космических аппаратов опыт летного применения и новые разработки // Космическая техника и технологии. 2023. № 4 (43). С. 36–55.
2. Морозов, А. И.. Космические электрореактивные двигатели / А. И. Морозов, А. П. Шубин. М.: Знание, 1975. 61, [3] с.: ил.; 20 см.
3. М. В. Ковальчук, В. И. Ильгисонис, В. М. Кулыгин. Плазменные двигатели и будущее космонавтики // Природа: журнал. — 2017. — № 12 (1228). — С. 33–44.
4. Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко; Редколлегия: В. П. Бармин, К. Д. Бушуев, В. С. Верещетин и др. — М.: Сов. Энциклопедия, 1985. — 528 с., ил., 29 л. ил.
5. Горшков О. А. Отечественные электроракетные двигатели сегодня // «Новости космонавтики»: журнал. — 1999. — Вып. 7. — С. 56–58.
6. Горшков О. А. и др. Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов / О. А. Горшков, В. А. Муравлев, А. А. Шайгайда; под. ред. академика РАН А. С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2008. 280 с.: ил.
7. Мухамедов Л. П. Основы проектирования транспортных космических систем: учебное пособие. — 2-е изд., испр. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2019. — 265, с.: ил.
8. Гусев Ю. Г., Пильников А. В., Суворов С. Е. Сравнительный анализ выбора ЭРДУ большой мощности на основе отечественных ЭРД и перспективы их применения в системах межорбитальной транспортировки и для исследования дальнего космоса // Космическая техника и технологии. — 2019. — № 4, с. 45–55.
9. Новые возможности двигателя СПД-140Д // АО «ОКБ Факел» — URL: https://fakel-russia.com/archives/2319 (дата обращения: 09.12.2025).
10. Комаров А. А., Румянцев А. В. Разработка модели эрозии разрядной камеры стационарного плазменного двигателя // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2017. № 2. С 53–58.
11. Коваленко Н. Э., Внуков А. А. Применение электрореактивных двигатлей в системе коррекции космического аппарата // Космические аппараты и технологии. 2022. № 2 (40). С. 83–89.
12. Пугаченко С. Е. Проектирование орбитальных станций: учеб. пособие: в 3 ч. — Ч. 1: Общие вопросы проектирования орбитальных станций. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 92 [4] с.: ил.
13. Wang X, Zhang Q, Wang W, Design and Application Prospect of China’s Tiangong Space Station. Space Sci. Technol. 2023;3: Article 0035. https://doi.org/10.34133/space.0035/.
14. Гусев Ю. Г., Пильников А. В. Роль и место электроракетных двигателей в Российской космической программе // Электронный журнал «Труды МАИ». 2012. № 60.