Рушійні установки, які надають імпульс руху ракеті за допомогою хімічних реакцій палива досить потужні та ефективні для забезпечення доступу до космосу із Землі, але недостатньо ефективні для тривалих космічних польотів. Оскільки під час космічних польотів запас енергоносіїв обмежений, електричні двигуни стають все більш затребуваними, тому що електроживлення можна відновлювати за рахунок сонячної енергії, а це означає, що поки є сонячне світло, джерело живлення електричних двигунів не вичерпається.
Значну увагу конструкторів ракетно-космічної техніки привертають плазмові ракетні двигуни, зокрема двигуни на металевій плазмі. Такі ракетні двигуни можуть бути використані для відведення космічного сміття, а також для корекції орбіти нано- та мікросупутників.
Ефективним методом перетворення металу в потоки плазми та їх прискорення є використання електричних розрядів, зокрема вакуумно-дугового роз-ряду. На даний час вакуумно-дугові випарники, в яких метал катоду перетворюється в потоки металевої плазми, широко використовують для нанесення вакуумно-дугових покриттів, а також для покращення фізико-механічних властивос-тей поверхні деталей, які працюють в екстремальних умовах. Однак, потоки пла-зми вакуумно-дугового розряду можна використати не тільки для одержання вакуумно-дугових покриттів, але й для створення реактивної тяги.
Вакуумно-дуговий реактивний двигун на металевій плазмі (ВДРДМП) – це новий клас електричних рушійних установок, в яких іонізація металу та приско-рення іонів здійснюється в області катодних плям вакуумного дугового розряду за рахунок процесів, які протікають в самому розряді. Такі двигуни можуть пра-цювати без спеціальних систем іонізації та прискорення іонів. Для роботи вакуумно-дугового ракетного двигуна не потрібне газове або рідке ракетне паливо, нейтралізатори, нагрівачі, високовольтна електроніка, сильні електричні або магнітні поля.
В науково-технічній літературі описані різні конструкції електричних ракетних двигунів на металевій плазмі, але основна увага при їх розробці була спрямована на створення імпульсних двигунів малої потужності, які призначені для використання в мікросупутниках. У вказаних ракетних двигунах малої тяги використовуються вакуумно-дугові розряди тривалістю від кількох мікросекунд до кількох мілісекунд. Вказані значення імпульсів зумовлені тим, що в цих конструкціях використовуються індуктивні джерела живлення розряду, або джерела живлення розряду з конденсаторами порівняно невеликої ємності.
Вакуумно-дугові розряди постійного струму або розряди секундної тривалості практично не розглядались для використання в двигунах на металічній пла-змі, оскільки для цього необхідні потужні джерела енергії, які можна було б вста-новлювати на борту космічних апаратів. Нещодавній прогрес у галузі високое-фективних сонячних елементів та інших систем енергопостачання (у тому числі
мініатюрних ядерних систем, придатних для використання в ракетно-космічній техніці) відродив інтерес до потужних рушійних систем на основі вакуумно-дугового розряду.
Імпульсні вакуумно-дугові ракетні двигуни розвивають дуже низьку тягу (від одиниць мікроньютонів до одиниць міліньютонів), та мають невелику масу електроду, який використовується для одержання потоку плазми (від одиниць до десятків грамів), тому вони можуть бути використані лише в системах орієнтації наносупутників (маса 1-10 кг) та мікросупутників (маса 10-100 кг).
Протягом останніх кількох років з’явились публікації, в яких описані електричні ракетні двигуни на металевій плазмі з тягою близько десяти міліньютонів. Такі двигуни мають значно ширший спектр використання. Відомі конструк-ції таких двигунів включають декілька однакових блоків (від двох до восьми), змонтованих в єдину систему. Кожен блок включає в себе металевий катод та систему електроживлення. Катоди можуть бути циліндричними (діаметр 30-60 мм) або прямокутними (близько 20 х 50 мм) і масою декілька сотень грамів. У зв’язку з тим, що в цих конструкціях двигунів катодні плями вакуумно-дугового розряду переміщуються по поверхні катодів хаотично, ерозія їх поверхні вкрай нерівномірна, що значно знижує можливий ресурс роботи вакуумно-дугового ракетного двигуна. Збільшення площі поверхні катодів приводить до ще більшої нерівномірності ерозії. Ресурс роботи вакуумно-дугових двигунів має велике значення, особливо для тривалих космічних польотів.
Актуальність теми дослідження зумовлена тим, що вакуумно-дугові плазмові двигуни, використання яких в ракетно-космічній техніці стрімко розвивається, мають незначний ресурс роботи. В дисертації досліджені принципи забез-печення рівномірного випаровування катодів вакуумно-дугових двигунів керованим переміщенням катодних плям по поверхні катоду, яке забезпечує підвищення їх ресурсу роботи, що є актуальною проблемою.
