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.[7]

(Электродуговой двигатель постоянного тока)

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.[8]