电弧加热发动机

电弧加热发动机
1.        电弧发动机

电弧加热发动机 英文：Arcjet，是通过阴极与阳极之间的直流放电产生的电弧加热推进剂，推进剂经加热后变为高温电离气体经喷管加速产生推力的一种动力装置。
电弧加热发动机具有高比冲、高推力密度、高推力/功率比、大的推进剂选择范围且推进剂可选种类多、结构简单紧凑便于安装、起动迅速、控制容易和可靠性高等特点。电弧加热发动机解决方案多次投入生产实践并取得一定成绩。其推力/功率比是所有已投入实用的电火箭中最高的，具有很好的综合优势。其比冲进一步提高的潜力很大，寿命长，运行电压低。
电弧加热发动机在0.1～100kW的功率样机试验表明：小功率（0.1～2kW）电弧加热发动机可以满足空间平台的姿态调整及高精度同步卫星位置保持、轨道机动及其它辅助推进的要求；中功率（10～30kW）电弧加热发动机又可担负空间平台和卫星的轨道提升、转移、维持等控制任务；大功率（50～100kW）电弧加热发动机将是未来星际航行主推进的重要工具。
2.        新型电弧发动机
本文引入一种鲜为人知的电弧加热发动机，其特点是通过冷却发动机喷嘴和本体，给冷媒加热，获得能量后的冷媒进入推力室，超高温的电弧等离子态物质混合，毫秒级的混合能把推力室中心冷媒加热到3000K以上，同时降低电弧等离子态物质的膨胀温度和速度。推力室与冷媒接触的壁体在冷媒的作用下，温度能保持在1000K以下。等同电弧发动机和电阻加热发动机混合工作，电弧发动机作为主要推进力量，冷媒加热的作用则是提高效率和冷却电弧发动机的作用，并能获得一定推力。
电弧推进剂使用氢、甲烷、肼等等，冷媒主要使用氧、双氧水、空气等等。发动机电力来源可以是汽轮机或者太阳能发电。
降低混合燃烧区的推进剂温度，让混合燃烧产生的化学内能作为动力的主要来源，相当一种新型的液体火箭发动机。比如使用肼作为电弧推进剂，双氧水作为冷媒。进入混合燃烧区双氧水和肼已经有一定的能量，通过恰当的控制技术。使得这类发动机的性能比氢氧发动机综合性能还要好。

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2015-9-13 14:49 上传

这样做会降低发动机比冲，提高能量利用效率，增大推力质量比。最重要的是这样的发动机比冲能达到400s~1000s，比化学发动机稍高，比等离子发动机低很多却能降低能量输入的需求。
下面介绍几种发动机的型号
25KW级
100KW级
3.        新型电弧发动机应用
新型的电弧发动机应用主要有两种。大气层内应用和星际推进应用。
大气层内应用
多级空天飞机，混合型电弧发动机的出现使得空天飞机能进入实用阶段。这是因为混合型电弧发动机具备化学发动机，电阻发动机和电弧发动机的一些优点，所以在恰当的取舍后，混合型电弧发动机就能作为单级入轨和多级入轨的空天飞机首选发动机。混合电弧发动机的电能来自飞机上的汽轮发电机，汽轮发电机采用自带的氢氧作为燃料。
多级入轨空天飞机
一级24台100KW级混合电弧发动机+2台1.2MW发电机。总质量250吨，为起飞级
二级6台100KW级混合电弧发动机+2台300KW发电机。总质量230吨，为加速级
三级2台25KW混合电弧发动机+50KW发电机+有效载荷。总质量最大80吨，为空天级。
飞机起飞质量量600吨以内，使用普通民用机场跑道起飞。
起飞级的混合电弧发动机使用的燃料是氢，使用的氧化剂是氧。氢经电弧加热后进入燃烧室。氢在燃烧室内和空气发生燃烧，然后从燃烧室出口高速喷出。这一级能把整个飞机加速到6~8倍音速，然后与加速级空天级分离，自行降落到飞机跑道。
起飞级分离后，加速级自带的氢燃料和氧燃料燃烧给发电机发电。电能提供给电弧发动机，电弧发动机加热氢，氢和氧在推力室内燃烧，高速喷出。其发动机性能比不上氢氧火箭发动机。加速级在飞机飞行达18~20倍音速时，与空天级分离，进入大气层后无动力滑翔降落。
空天级采用固体火箭或混合电弧发动机，在初始速度达18倍音速的外太空加速到24~26倍音速，实现在轨飞行和载荷释放。
小型空天飞机可实现两级入轨。两级入轨的空天飞机在14倍音速是把起飞级分离了。其有效载荷小于6吨。
单级入轨的空天飞机就是空天无人战斗机，其航天利用价值不大。不在此介绍。
多级空天飞机的起飞级级不需要自带氧化剂，加速级和起飞级都可以反复利用上百次。每次起飞准备时间不会超过一个月。这样带来的好处是大幅度降低了航天发生的成本。
外太空的应用
因为空间电源的限制，10KW级以上的电推很难广泛应用。而空间电源除了化学或光电bu需要一个能量级差外，其他的发电方式都需要通过冷却、辐射来实现能级差。下面介绍一种应用。
使用过氧化氢作为斯特林发动机的冷端冷却，或者汽轮发动机的气体冷却。过氧化氢经过冷却的热交换器后温度达到300摄氏度，分解成水和氧气。所得到的水和氧气作为25KW级混合发动机的冷媒，进入推力室后于电弧推进剂的肼混合，最终以等效6000m/s的喷气速度离开推力室。这样就有一个比冲达到550s的高效率电推。这种发动机的燃料是肼和双氧水，是可长时间存储。
初稿


电弧加热发动机
1.        电弧发动机

电弧加热发动机 英文：Arcjet，是通过阴极与阳极之间的直流放电产生的电弧加热推进剂，推进剂经加热后变为高温电离气体经喷管加速产生推力的一种动力装置。
电弧加热发动机具有高比冲、高推力密度、高推力/功率比、大的推进剂选择范围且推进剂可选种类多、结构简单紧凑便于安装、起动迅速、控制容易和可靠性高等特点。电弧加热发动机解决方案多次投入生产实践并取得一定成绩。其推力/功率比是所有已投入实用的电火箭中最高的，具有很好的综合优势。其比冲进一步提高的潜力很大，寿命长，运行电压低。
电弧加热发动机在0.1～100kW的功率样机试验表明：小功率（0.1～2kW）电弧加热发动机可以满足空间平台的姿态调整及高精度同步卫星位置保持、轨道机动及其它辅助推进的要求；中功率（10～30kW）电弧加热发动机又可担负空间平台和卫星的轨道提升、转移、维持等控制任务；大功率（50～100kW）电弧加热发动机将是未来星际航行主推进的重要工具。
2.        新型电弧发动机
本文引入一种鲜为人知的电弧加热发动机，其特点是通过冷却发动机喷嘴和本体，给冷媒加热，获得能量后的冷媒进入推力室，超高温的电弧等离子态物质混合，毫秒级的混合能把推力室中心冷媒加热到3000K以上，同时降低电弧等离子态物质的膨胀温度和速度。推力室与冷媒接触的壁体在冷媒的作用下，温度能保持在1000K以下。等同电弧发动机和电阻加热发动机混合工作，电弧发动机作为主要推进力量，冷媒加热的作用则是提高效率和冷却电弧发动机的作用，并能获得一定推力。
电弧推进剂使用氢、甲烷、肼等等，冷媒主要使用氧、双氧水、空气等等。发动机电力来源可以是汽轮机或者太阳能发电。
降低混合燃烧区的推进剂温度，让混合燃烧产生的化学内能作为动力的主要来源，相当一种新型的液体火箭发动机。比如使用肼作为电弧推进剂，双氧水作为冷媒。进入混合燃烧区双氧水和肼已经有一定的能量，通过恰当的控制技术。使得这类发动机的性能比氢氧发动机综合性能还要好。

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这样做会降低发动机比冲，提高能量利用效率，增大推力质量比。最重要的是这样的发动机比冲能达到400s~1000s，比化学发动机稍高，比等离子发动机低很多却能降低能量输入的需求。
下面介绍几种发动机的型号
25KW级
100KW级
3.        新型电弧发动机应用
新型的电弧发动机应用主要有两种。大气层内应用和星际推进应用。
大气层内应用
多级空天飞机，混合型电弧发动机的出现使得空天飞机能进入实用阶段。这是因为混合型电弧发动机具备化学发动机，电阻发动机和电弧发动机的一些优点，所以在恰当的取舍后，混合型电弧发动机就能作为单级入轨和多级入轨的空天飞机首选发动机。混合电弧发动机的电能来自飞机上的汽轮发电机，汽轮发电机采用自带的氢氧作为燃料。
多级入轨空天飞机
一级24台100KW级混合电弧发动机+2台1.2MW发电机。总质量250吨，为起飞级
二级6台100KW级混合电弧发动机+2台300KW发电机。总质量230吨，为加速级
三级2台25KW混合电弧发动机+50KW发电机+有效载荷。总质量最大80吨，为空天级。
飞机起飞质量量600吨以内，使用普通民用机场跑道起飞。
起飞级的混合电弧发动机使用的燃料是氢，使用的氧化剂是氧。氢经电弧加热后进入燃烧室。氢在燃烧室内和空气发生燃烧，然后从燃烧室出口高速喷出。这一级能把整个飞机加速到6~8倍音速，然后与加速级空天级分离，自行降落到飞机跑道。
起飞级分离后，加速级自带的氢燃料和氧燃料燃烧给发电机发电。电能提供给电弧发动机，电弧发动机加热氢，氢和氧在推力室内燃烧，高速喷出。其发动机性能比不上氢氧火箭发动机。加速级在飞机飞行达18~20倍音速时，与空天级分离，进入大气层后无动力滑翔降落。
空天级采用固体火箭或混合电弧发动机，在初始速度达18倍音速的外太空加速到24~26倍音速，实现在轨飞行和载荷释放。
小型空天飞机可实现两级入轨。两级入轨的空天飞机在14倍音速是把起飞级分离了。其有效载荷小于6吨。
单级入轨的空天飞机就是空天无人战斗机，其航天利用价值不大。不在此介绍。
多级空天飞机的起飞级级不需要自带氧化剂，加速级和起飞级都可以反复利用上百次。每次起飞准备时间不会超过一个月。这样带来的好处是大幅度降低了航天发生的成本。
外太空的应用
因为空间电源的限制，10KW级以上的电推很难广泛应用。而空间电源除了化学或光电bu需要一个能量级差外，其他的发电方式都需要通过冷却、辐射来实现能级差。下面介绍一种应用。
使用过氧化氢作为斯特林发动机的冷端冷却，或者汽轮发动机的气体冷却。过氧化氢经过冷却的热交换器后温度达到300摄氏度，分解成水和氧气。所得到的水和氧气作为25KW级混合发动机的冷媒，进入推力室后于电弧推进剂的肼混合，最终以等效6000m/s的喷气速度离开推力室。这样就有一个比冲达到550s的高效率电推。这种发动机的燃料是肼和双氧水，是可长时间存储。
初稿