Диссертация (Повышение помехоустойчивости радиосистем космической связи при воздействии радиоизлучения стационарных плазменных двигателей), страница 9

3000010000…7000030000…80000и более7,5…1030…10010…3010…4025…65Аммиак,гидразин,водородЛитий, газы,включая водородКсенон,криптонКсенон,криптон,жидкиеметаллыКсенон, криптонХолловские плазменные двигателиЭРД холловского типа основаны на создании и ускорении плазмы в электрическом газовомразряде в скрещенных электрическом и магнитном полях, обеспечивающих замкнутый дрейфэлектронов. Необходимая конфигурация разряда реализуется в канале кольцевой геометрии, вкотором анод и катод установлены относительно друг друга по оси, а магнитное поле в разрядномканале имеет преимущественно радиальную компоненту. Продольное электрическое поле,ускоряющее ионы, возникает в описанной конфигурации разряда «автоматически» при подачеразности потенциалов между катодом и анодом и зажигании разряда.Холловские плазменные двигатели (ХПД) подразделяются на стационарные плазменныедвигатели (СПД) и двигатели с анодным слоем (ДАС).

В СПД зона ускорения, в которойсоздается электрическое поле, существенно превышает ларморовский радиус электрона. Поэтому физическому признаку эти двигатели характеризуют как «ускоритель с замкнутымдрейфом и протяженной зоной ускорения» (УЗДП). В ДАС зона ускорения соизмерима сларморовским радиусом электрона, энергия которого рассчитывается по полной приложеннойразности потенциалов. Эти двигатели характеризуют как «ускоритель с замкнутым дрейфом иузкой зоной ускорения» (УЗДУ). Принципиальные схемы СПД и различных модификаций ДАСимеют родство в части формы ускорительного канала, расположения анода и катода.

Ксущественному конструктивному отличию ДАС следует отнести отсутствие в его конструкциикольцевого изолятора, что существенно изменяет топологию электрического поля [6].34Стационарные плазменные двигателиТехнология ЭРД в России, в основном, базируется на применении СПД. За последние 15лет было разработано и исследовано большое число моделей СПД с уровнем мощности от 0,7 до50 кВт. Двигатели мощностью до 1,5 кВт получили широкое применение на геостационарныхспутниках связи [29], [10].Физические особенности разряда в СПД таковы, что возможно достижение достаточновысокого КПД (>50%) при умеренных удельных импульсах тяги (15000…25000 м/с). СПДпредставляет собой плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов (Рисунок 1.2),который содержит разрядную камеру 1 с так называемым ускорительным каналом, выполненнымв разрядной камере в виде открытой со стороны выхода кольцевой щели, в глубине которойразмещается так называемый анод-газораспределитель 3, через который подается рабочий газ вускорительный канал.

В ускорительном канале создается радиальное магнитное поле с помощьюмагнитной системы, содержащей катушки намагничивания 5 и магнитопровод 7. Для началаработы двигателя зажигается электрический разряд в потоке рабочего газа, движущегося вускорительном канале, путем приложения разрядного напряжения между анодом иразмещаемымвне ускорительногоканала катодом 2. При этом в каналесоздаетсяпреимущественнопродольноеРазрядэлектрическоегоритвполе.«скрещенных»электрическом и магнитном полях[6].Началопрактическомуиспользованию СПД в России былоположено в 1971 году, когда впервыебылпроизведенискусственногозапускспутникаЗемли(ИСЗ) с ЭРДУ “ЭОЛ-1” на основеРисунок 1.2 – Принципиальная схема СПД1 – изолятор, формирующий ускорительный канал, 2– катод-нейтрализатор, 3 - анод-газораспределитель,4 – внешний полюсный наконечник, 5 – внутренняякатушка намагничивания, 6 – внутренний полюсныйнаконечник, 7 - магнитопроводстационарногодвигателяплазменногоСПД-60.Уже входеиспытаний установки «ЭОЛ-1» ИСЗвпервые был выведен на солнечносинхроннуюорбитуспомощьюЭРДУ.

А с 1974 г. началась штатная35эксплуатация ИСЗ семейства «Метеор» и «Метеор-Природа» с ЭРДУ ЭОЛ-2 на орбитах высотой600...900 км [30].С 1982 года начались испытания и рабочая эксплуатация СПД на геостационарныхспутниках связи, разрабатываемых НПО ПМ имени академика М.Ф. Решетнёва. Первым серийновыпускаемым двигателем стал СПД-70 мощностью 700 Вт и тягой 40 мН, производства ОКБ«Факел».Двигатель СПД-100 широко используется по настоящее время как на отечественных, так ина зарубежных КА. Номинальные характеристики СПД-100: мощность – 1,35 кВт, тяга – 83 мН;удельный импульс – 15000 м/с. Экспериментально подтвержденный ресурс – 9000 час [31].В настоящее время номенклатура двигателей, разработанных и испытанных на уровнеинженерных и лабораторных моделей, охватывает типоразмеры от 40 мм (СПД-40) до 290 мм(СПД-290) [32]. Примеры серийных двигателей ОКБ «Факел» приведены на Рисунках 1.3…1.6, анекоторые разработки Исследовательского центра имени М.В.

Келдыша – на Рисунках 1.7…1.8[32]. Разработан и испытан двигатель СПД-140 мощностью 4,5 кВт, с тягой 280 мН и удельнымимпульсом 17000 м/с (Рисунок 1.6). Двигатель предназначен для выведения КА с низкой орбитына высокоэнергетичные рабочие орбиты при реализации новых схем выведения игелиоцентрических межпланетных полетов с использованием маршевых ЭРД [33], [34].До начала 2000-х годов Россия была единственным производителем СПД в мире. Однаков настоящее время технология СПД интенсивно осваивается в Европе и США. Европейскиекомпании Snecma/Motours, Thales, Alta и др. ведут собственные разработки СПД дляиспользования на перспективных спутниковых платформах. На европейском научноисследовательском КА SMART-1 впервые в мире в качестве маршевого двигателя успешноиспользовался СПД PPS-1350 мощностью 1,35 кВт совместной разработки Snecma Moteurs(Франция) и ОКБ «Факел» [31].

В полете длительностью около 5000 часов двигатель подтвердилзаявленные характеристики и в настоящее время может использоваться в коммерческих целях.Применение двигателя СПД-100 в США на коммерческих геостационарных КА связи началось в2004 г. с запуска КА Inmarsat-4, созданного в компании Space Systems/Loral [32].По заданию НАСА и ВВС США ряд фирм осуществляет собственные разработки СПД вдиапазоне мощности от 600 Вт до 5 кВт. На Рисунке 1.9 приведен двигатель BPT-4000мощностью до 4 кВт фирмы Aerojet/Busek, прошедший летно-космические испытания (ЛКИ) наамериканском ИСЗ TSAT в 2008 г. [35].

Характеристики BPT-4000 и СПД-140 близки. Оба онимогут использоваться как в системах коррекции орбиты КА, так и в качестве маршевых приреализации новых схем выведения.Более подробно анализ общего состояния разработок СПД в России и мире приведен в [6],[36], [37].36Рисунок 1.3 – СПД-50Рисунок 1.5 – СПД-100Рисунок 1.7 - СПД КМ-45Рисунок 1.4 – СПД-70Рисунок 1.6 – СПД-140Рисунок 1.8 - СПД КМ-8837Двигатели с анодным слоемРазработка ДАС в России ведетсяуже более 40 лет. Двигатели успешнопрошлилетныеамериканскомаппаратеиспытаниянаэкспериментальномSTEXExperiment)(Space[38].TechnologyСхемывариантовреализации ДАС приведены на Рисунке1.10 [39], [40], [6].ДвигательРисунок 1.9 - Двигатель BPT-4000 (США)образом.устроенследующимУскорительныйканалформируется (Рисунок 1.10) магнитопроводом 1, магнитный поток в котором создаетсякатушками возбуждения.

В ускорительном канале установлен анод 2 (2a) с полостью, черезкоторую подается рабочий газ. В двух ступенчатой модификации внутри ускорительного каналаустановлен катод первой ступени 2b. На выходе из ускорительного канала установлен катоднейтрализатор 3.

Анод 2a и катод первойступени 2b электрически изолированы отмагнитопровода, который находится подпотенциалом катода-нейтрализатора 3.Ионизация газа и ускорение ионов водноступенчатом ДАС происходит в одномразрядномпромежутке,ограниченноманодом 2 и срезом магнитных полюсныхнаконечников 4. В двухступенчатом ДАСРисунок 1.10 – Двухступенчатая (слева) иодноступенчатая (справа) модификации ДАСимеютсядваразрядныхпромежутка,параметры разряда в которых сильноотличаются. В первой ступени между анодом 2a и катодом первой ступени 2b, в основном,происходит ионизации газа, а во второй – ускорение ионов до заданных скоростей. Как показалиисследования, разделение зон ионизации и ускорения позволяет обеспечить высокие значенияразрядного напряжения во второй ступени и, соответственно, удельного импульса тяги. Как былоэкспериментально показано, в двухступенчатых ДАС могут быть достигнуты удельный импульстяги от 30000 м/с до 70000…80000 м/с и КПД выше 65% [39], [40].

Ускорение ионов происходитв узком, так называемом, анодном слое толщиной несколько миллиметров на выходе изускорительного канала или даже вынесенном за его пределы [6].38Основные разработки ДАС были выполнены в ЦНИИмаш. Номенклатурный ряддвигателей с анодным слоем включает в себя ДАС одно – и двухступенчатой модификации. ВЭРДУ большой мощности с большим расходом рабочего тела может оказаться целесообразнымприменение металлического рабочего тела с большой атомной массой вместо ксенона. В работахЦНИИмаш [39] была показана работоспособность ДАС на висмуте. Примером реализации такогоЭРД является двигатель VHITAL-160, работающий на висмуте, совместной разработкиЦНИИмаш и Мичиганского университета (США) [41].Ионные двигателиИонные двигатели (ИД) относятся к классу электростатических двигателей, в которыхрабочее тело сначала переводится в плазменное состояние в газоразрядной камере (ГРК), а затемположительно заряженные частицы (ионы) ускоряются электростатическим полем в ионнооптической системе (ИОС), образованной электродами с приложенной к ним разностьюпотенциалов [6].В ИД электростатическое ускорение в практических конструкциях ИОС может бытьосуществлено с коэффициентом полезного действия (КПД), близким к 100%.

При этом затратымощности на ионизацию рабочего тела относят к потерям, снижающим КПД ИД в целом.Компенсация тока и пространственного заряда пучка ионов на выходе из ИД решаетсяустановкой нейтрализатора - источника электронов, конструкция которого принципиально неотличается от конструкции катода-нейтрализатора СПД и ДАС.Обладая общим механизмом ускорения, ИД разделяются на типы, отличающиеся способомперевода рабочего тела в ионизированное состояние. В настоящее время разработаны ИД наоснове газового разряда постоянного тока (ПТ), высокочастотного (ВЧ) разряда исверхвысокочастотного (СВЧ) разряда.