С помощью реактивного двигателя человек вырвался из пут земного притяжения, и теперь стоит задача освоения околосол­нечного пространства. Естественно, что путешествия в этом пространстве должны укладываться в сроки земной жизни чело­века. Для этого необходима очень высокая скорость полета. Мощные установки современных ракетных аппаратов, работаю­щих на химическом топливе или использующих ядерную энер­гию, позволяют получить тягу, достаточную для достижения вто­рой космической скорости. Достаточную, чтобы оторваться от Земли, но и только. Топливо исчерпывается за сотни секунд разгона ракеты, а скорость истечения рабочего вещества недос­таточна для того, чтобы сделать соизмеримыми “рядовые” маршруты ракет землян и расстояния околосолнечного про­странства.

Количество топлива бесконечно увеличивать нельзя, так как, начиная с определенной массы, оно будет затрачиваться в основном на разгон самого себя. Круг замкнулся. Как его ра­зорвать?

В лабораториях ученых всего мира идет напряженная рабо­та над созданием принципиально новых ракетных двигателей, в частности, использующих электрическую тягу. Скорости исте­чения у этих двигателей в десятки и сотни раз выше, чем у двигателей на химическом топливе. В настоящее время разли­чают три основных типа электрических реактивных двигателей: электротермический, плазменный и ионный. Наиболее близок к реактивным двигателям на химическом топливе электротерми­ческий двигатель. Разработаны два варианта этого двигателя: электродуговой и с подогревом. В камере электродугового дви­гателя находится система электродов. Между электродами зажи­гают электрическую дугу, температура которой может достигать десятков тысяч градусов. Рабочее тело (водород, аммиак) на­гревается, расширяется и, вырываясь из сопла, создает тягу. Температура газов достигает 5000 °С, что позволяет получить скорость истечения реактивной струи до 10 000-15 000 м/с. КПД двигателя составляет 34-45 %. Существенным недостатком электродуговых двигателей является интенсивное изнашивание электродов. Специальным магнитным полем можно заставить дугу вращаться между электродами; при этом износ их суще­ственно снизится.

Двигатель с электрическим подогревом прост по конст­рукции. В его камере рабочее вещество подогревается эле­ментами, через которые пропускают электрический ток. Темпе­ратура нагревательных элементов из вольфрама может достигать 3000 °С. Скорость истечения в таких двигателях может быть доведена до 10 000 м/с, КПД их около 70 %.

Если через проводник, помещенный в магнитное поле, про­пускать электрический ток, то он будет двигаться поступатель­но с ускорением. Проводник - это не значит металлический провод. Хорошим проводником, например, является плазма - сильно нагретый ионизированный газ. Плазму получают, нагре­вая газ электрическим разрядом от батареи конденсаторов или электрической дугой. Плазменный шнур помещают в магнитное поле и пропускают через него электрический ток. Благодаря взаимодействию магнитного и электрического полей плазма вы­талкивается из сопла двигателя, создавая тягу. Плазменные дви­гатели могут работать импульсами (плазменные пушки) с ча­стотой 100-1000 с” или непрерывно. В настоящее время из­вестно около ста разновидностей плазменных двигателей. Отно­сительно просты по конструкции плазменные ускорители с по­стоянным магнитным полем. Их можно применять в качестве дополнительных устройств к электродуговым двигателям. Под действием электрической дуги газ доводят до состояния плаз­мы, которая пропускается между магнитами. Далее газ расши­ряется. Таким образом, рабочее тело получает дополнительный импульс движения. В некоторых типах плазменных двигателей электродов нет. Превращение газа в плазму осуществляется благодаря индуктивному нагреву в высокочастотном электро­магнитном поле.

В обычной пушке снаряд получает ускорение все время, пока он движется по стволу. Заряд же плазмы, выброшенный из двигателя, резко рвет электрическую цепь, и ускоряющие силы на него перестанут действовать. Нельзя ли затянуть процесс разгона плазмы? Можно. Ведутся интенсивные работы над так называемыми линейными ускорителями. Плазму помещают в цилиндрическую трубу, где она ускоряется бегу­щим магнитным полем по всей длине трубы. Оригинальна кон­струкция плазменного ускорителя рельсового типа. В магнит­ном поле помещены две параллельные токопроводящие шины, к которым подведено напряжение. Создают плазменный шнур, который попадает на шины и замыкает их. Плазма получает ус­корение вдоль шин, однако электрическая цепь не рвется и уско­ряется до тех пор, пока она бежит вдоль этих “рельсов”. Если вместо шин-проводников взять коаксиальные цилиндры, то получим коаксиальную плазменную пушку. Из такого ускори­теля плазма выбрасывается в виде колец, подобных тем, что пускают курильщики. Скорость истечения в уже созданных плаз­менных двигателях достигает 30 000-150 000 м/с, что в 10-20 раз больше, чем в ядерных.

Еще большие скорости истечения (в 100-200 раз) реак­тивной струи позволяют получать ионные двигатели. В ионных двигателях рабочее тело ускоряется не в магнитном, а в элек­трическом поле, поэтому оно должно обладать электрическим зарядом. Как же это сделать? Рабочее тело в ионном двигателе после нагревания и испарения направляется в ионизатор - са­мый важный элемент установки. Там электрически нейтральное рабочее тело ионизируется, “дробится” на ионы и электроны. Но и после этого рабочее тело остается в целом электрически нейт­ральным. Чтобы оно получило заряд одного знака, надо из него удалить заряды другого знака, лучше отрицательно заря­женные электроны, так как положительные ионы в сотни тысяч раз тяжелее электронов и они могут развивать гораздо большую тягу. Электроны из рабочего тела отбираются специальным уст­ройством, а положительные ионы направляются в ускоритель ка­меры. Пройдя через ряд электродов, несущих высокий отрица­тельный потенциал, они разгоняются и выбрасываются из сопла, создавая тягу. Что же произойдет, если из ракеты будут истекать только положительные заряды? Она получит мощный отрица­тельный заряд, который нарушит работу двигателя. Поэтому в струю положительных ионов надо возвратить электроны, отоб­ранные у рабочего тела. Эту функцию выполняет нейтрализатор, смешивающий на выходе из двигателя потоки положительных ионов и электронов.

Разработано три основные схемы ионных двигателей, раз­личающиеся способом ионизации: двигатели с поверхностной ионизацией, двигатели с электронной бомбардировкой, двига­тели с электродуговым источником ионов. Первый тип иониза­тора основан на том, что при ударении атомов рабочего тела о поверхность ионизатора они при определенных условиях могут потерять свои внешние электроны, которые перейдут в материал ионизатора. Что же это за условия? Чтобы вырвать электрон из атома материала необходимо затратить работу (ее называют ра­ботой выхода). Для одних материалов эта работа имеет большее значение, для других - меньшее. Если у рабочего тела работа выхода будет меньше, чем у материала ионизатора, то при соуда­рении атомов вещества с поверхностью ионизатора внешние электроны его перейдут в материал ионизатора. Энергетические же условия выдерживаются такими, что обратно электроны перейти не могут. Для ионизатора соответственно выбирают ма­териалы с большой работой выхода: платину, иридий, вольфрам. В качестве рабочего тела используют, например, цезий, имеющий малую работу выхода. Для того чтобы вокруг поверхности иони­затора не образовалась пленка из положительных ионов, при­тягивающихся к нему электрическими силами, поверхность ионизатора подогревают.

Важным условием является то, чтобы все атомы рабочего тела соприкоснулись с поверхностью ионизатора. Один из луч­ших ионизаторов, удовлетворяющий этому требованию, пред­ставляет собой коробку с крышкой из пористого вольфрама. Пары цезия поступают в коробку и затем, проходя через поры крышки, атомы цезия многократно соударяются с зернами вольфрама.

Схема двигателя с электронной бомбардировкой более про­ста. Рабочее тело (цезий, ртуть) подогревается с помощью электричества, испаряется и через дозирующее отверстие на­правляется в ионизатор, имеющий цилиндрический анод и уста­новленный по оси катод. Электроны с катода направляются на анод. По пути они сталкиваются с атомами рабочего тела и ионизируют его. Чтобы заставить электроны поработать более “добросовестно”, величину их пробега искусственно увеличива­ют, заставляя с помощью специального магнитного поля коле­баться.

Электродуговой ионизатор - дугоплазматрон - позволяет получать ионный поток большой плотности и высоким коэффи­циентом использования рабочего тела. Схема работы дугоплазматрона следующая. Электродуговой разряд происходит в газо­вой среде с низким давлением между термоэмиссионным като­дом и анодом, разделенными диафрагмой, механически сжимаю­щей дугу. Магнитное поле, действующее по оси электрической дуги, дополнительно сжимает разряд. В области дуги образует­ся плазма, из которой с помощью электрического поля отсасы­ваются ионы. КПД ионных двигателей значительно выше, чем у других типов электрических реактивных установок.

В последнее время делаются попытки создать комбиниро­ванные ускорители - электроракетные двигатели смешанного действия.

В рассказе об электрических реактивных двигателях ни разу не упоминались три фактора.  Все исключительной важности: какова же тяга этих двигателей, сколько они потребуют элект­рической энергии и откуда должны ее черпать? Тяга электрических реактивных   двигателей, прямо скажем, невелика - десятые доли ньютонов. Стремятся ее увеличить до десятков и сотен ньютонов. Для чего нужны такие двигатели? Ведь чтобы “оторвать” от земли тяжелую ракету,    необходима тяга в 10 000 000 Н. Да, на такую работу эти двигатели не способны. А вот когда ракета находится в межпланетном пространстве, они очень нужны.   Только они, имея огромную скорость истече­ния рабочего вещества, позволят разогнать ракету так, что пу­тешествие   даже на периферию солнечной системы будет для человека возможным. Эти двигатели способны работать длитель­ное время, включаться и выключаться, когда это необходимо. А как же оторваться от Земли? В проектах заложен един­ственный на сегодня вариант: на орбиту вокруг Земли или “чуть далее” ракету выводят термохимические или ядерные двигатели.  Далее следует разгон на электрической тяге. Что же  касается питания электроэнергией электрических ускори­телей, то и это серьезная проблема. На ракете должны быть мощные автономные источники электрической энергии. При­ведем пример:  термоионный ускоритель фирмы “Джианини” при тяге 2,5 Н и скорости истечения 100 000 м/с потребляет мощность в 175 кВт. Какую же мощность потребляют ускори­тели с тягой в десятки и сотни ньютонов? Где в космосе взять столько электрической энергии? Над этим работают специа­листы. И все же перспективы оптимистичны: солнечные бата­реи, химические  источники, ядерные установки, вплоть до турбоэлектростанций мощностью в тысячи киловатт. А в целом удельная тяга электрических ускорителей на порядок выше, чем  у термохимических и ядерных реактивных двигателей.