Диссертация (Влияние величины и топологии магнитного поля на интегральные характеристики стационарных плазменных двигателей (СПД)), страница 4

Для большинства практически интересных современныхзадач требуемый удельный импульс тяги находится в диапазоне 1000…3000 с, для ДУмежпланетных аппаратов достигает 5000 с и более [6].Кроме того современные ЭРД должны обладать повышенным ресурсом непрерывнойработы (в некоторых задачах до 10000…15000 ч) и пониженным влиянием плазменной струи нафункционирование систем КА.ДлявыполненияоднойЭРДУнесколькихзадачдвигателидолжныбытьмногорежимным и допускать регулировку в широких диапазонах мощности, тяги и удельногоимпульса тяги в процессе полета КА. При этом должна быть обеспечена наибольшаяэффективность выполнения каждой из задач.В России наибольшие успехи достигнуты в разработке и применении ЭРДУ на базеСПД. СПД, известный в литературе так же как «плазменный электромагнитный двигатель сускорением в магнитном слое» (ДМС), «ускоритель с замкнутым дрейфом электронов ипротяженной зоной ускорения» (УЗДП), «стационарный плазменный двигатель Морозова»[14],«линейный холловский двигатель» (ЛХД), а за рубежом просто как «холловский» двигатель»,был разработан под руководством А.И.

Морозова в СССР в Институте Атомной энергииим. М.В. Курчатова (ИАЭ) [5] .Первые летные испытания СПД состоялись в 1972 г.[15], аштатная эксплуатация начата с 1982 г. Начиная с середины 1990-х, успешное сотрудничествороссийских и иностранных организаций привело к широкому распространению СПД и в14зарубежной космической технике. К настоящему времени созданы модели СПД с мощностямиот 100 Вт до ~70 кВт с использованием как традиционных, так и новых конструктивных схем.Основные параметры работы некоторых из них представлены в таблице 1.Около половины всех работающих или работавших в космосе ЭРД являютсядвигателями ФГУП ОКБ «Факел» - основного разработчика и производителя СПД в России.Также в последние годы в России разработку летных образцов СПД ведет Исследовательскийцентр имени М.В.

Келдыша. За рубежом созданием и исследованием СПД занимаютсякомпании Aerojet, Busek, фирмы Snecma, Alta S.p.A., TRW, Pratt&Whitney и др.СучетомперечисленныхвышетенденцийвразвитияКАперспективныминаправлениями развития СПД являются разработка СПД малой мощности для малых КА иСПД, работающих при повышенном разрядном напряжении, обеспечивающем повышенныйудельный импульс тяги для межорбитальной транспортировки КА, поддержания длительнойработоспособности КА на ГСО, межпланетных перелетов и полетов в дальний космос. Приэтом, соответственно, актуальной является задача обеспечения повышенного ресурсанепрерывной работы двигателей, многорежимности для выполнения нескольких задач ипониженного влияния плазменной струи на функционирование КА.Таблица 1Основные параметры работы некоторых СПДРазработчикФГУП ОКБ"Факел»(Россия)ДвигательМощностьразрядаN p , ВтНапряжениеразрядаUp, ВСПД-2510090..200СПД-50СПД50PlaSПлаС-40220180225ТягаF , мНУдельныйимпульсI уд ,сАнодныйКПД,%7800..1000201,2014,0860261801,2515,3940342251801,2517,0101037СПД-706603002,2401470СПД-100SPT-1СПД-100ДСПД-140СПД-140Д135031002100450048005000…3000030012508003008004,52,492,615683878329018016003105266017702750PPS13501500350PPS-X000 6000585СПД-290ФГУП ОКБ"Факел"(Россия),Snecma(Франция)Snecma(Франция)ТокразрядаIр , А 15004,2889232~ 3300174024804541525055 655155,615Продолжение таблицы 1Научноисследовательский центр им.Джона Х.Гленна (GRC)агентства NASA(США)Массачусетскийинститут (США)Принстонскийуниверситет(США)Технион(Израиль)Busek Company(США)Aerojet (США)Исследовательский центр имениМ.В.

КелдышаHiVHAC 3600200-800NASA173Mv18500900NASA457М50000500DCHTMHT-9102…538203СHT90…185CAMILA150..250250-300 8000200250300 2500950 4500800450372500BHT-200BHT-8000BHT-HD1000BPT-4000КМ-45КМ-60КМ-5 2500КМ-7 450020-150900-2700>559,4327303056100233027476313.47,1164116763001100…16500,82300159,6517,812,45121405-1870~ 4513001900426084,5287342184283626201800171652452901793571.2 Анализ зависимостей между выходными и ресурсными характеристиками СПД ипараметрами магнитной системы двигателяСПД представляет собой источник ускоренного потока плазмы, которая образуется иускоряется в разряде на РТ, горящем в скрещенных электрическом и магнитном полях [5; 6].Схема СПД представлена на рисунке 1.Рис.

1 Схема СПД16Конструктивно СПД состоит из двух основных узлов – анодного блока и катодакомпенсатора.Анодный блок в традиционном исполнении состоит из магнитной системы (МС),разрядной камеры (РК) и анода-газораспределителя, через который обычно подается РТ, хотявозможноиспользованиеиотдельногогазораспределителя.ВкачествеРТмогутиспользоваться инертные и активные газы, щелочные металлы и др. Наиболее широкоераспространение получил ксенон.Катод-компенсатор (К-К) является отрицательным электродом в плазменном разряде ислужит источником электронов, часть которых направляется в ускорительный канал (УК) иучаствует в процессе получения и ускорения плазмы, а остальные - уходят с истекающей издвигателя струей, компенсируя её объемный заряд ионов.

Катод размещают, как правило, околодвигателя.После подготовки к работе К-К и подачи в анод РТ между анодом и катодом зажигаетсяразряд, и приложенным между ними напряжением создается разность потенциалов междуразличными частями плазмы разряда, где рождаются ионы, и плазмой на выходе из двигателя, вкоторой ускоряются ионы. Часть электронов с катода, попавших в УК под действиемэлектрического поля, дрейфуют по азимуту в скрещенных осевом электрическом и радиальноммагнитном полях, ионизируют атомы ксенона и, в конечном счете, попадают на анод.Напряженность магнитного поля подбирается такой, чтобы ларморовский радиус электроновбыл существенно меньше длины УК, а ларморовский радиус ионов – намного больше.Образовавшиеся ионы, ускоряясь в электрическом поле вдоль РК, образуют направленныйпоток ионов (струю плазмы), создающий реактивную тягу.

При этом предполагается, чтоосновные процессы ионизации и ускорения в СПД происходят в едином слое ионизации иускорения (СИУ).Необходимо отметить, что для данной конфигурации РК двигателя электрическое поле вплазме, ускоряющее ионы в осевом направлении, может существовать только при наличиирадиального магнитного поля, замагничивающего электроны, и азимутального дрейфаэлектронов. Вклад в тягу электронов, поступающих в плазменную струю из К-К и уходящих издвигателя вместе с ионами, незначителен из-за малости массы электронов по сравнению смассой ионов. На выходе РК остальные электроны компенсируют ионный поток ипространственный заряд так, что автоматически выполняется условие равенства нулю полноготока плазменной реактивной струи, истекающей из двигателя. Такое условие позволяетавтоматически поддерживать потенциал КА, лишь немногим отличающимся от потенциалаокружающего космического пространства.Таким образом, магнитное поле играет существенную роль в организации рабочих17процессов в СПД, в значительной степени, определяя уровень его основных характеристик.При этом в общем случае при работе двигателя оно представляет собой суперпозициюмагнитного поля от МС – внешнее или наложенное магнитное поле – и от токов заряженныхчастиц в УК – наведенное токами поле.

Как показывают оценки [16], магнитное поле,создаваемое заряженными частицами, будет мало. Магнитное же поле от замкнутогоазимутального холловского тока (тока электронов), существующего из-за наличия скрещенногоэлектрического и магнитного полей, может составлять ~10 % от общего магнитного поля наноминальных режимах. При увеличении же расхода РТ или при увеличении разрядногонапряжения холловский ток увеличивается, но при этом обычно также увеличивают и токи вкатушках намагничивания, вследствие чего увеличивается и значение внешнего магнитногополя.

Поэтому наведенными токами в разряде обычно и пренебрегают.Известно, что изменением параметров (распределения и конфигурации) магнитного полядвигателя можно управлять параметрами электрического поля в УК. Определено, чтоэлектрическое поле в УК достигает значительной величины в области с максимальнымизначениями индукции магнитного поля, где реализуется основное падение потенциала.Поэтому считается, что параметры слоя ионизации и ускорения (СИУ), а именно его положениеи протяженность, в УК СПД зависят не только от режима работы двигателя, но и, главнымобразом, от распределения величины магнитного поля в УК. Вопрос о точном расположенииСИУ остается нерешенным, но экспериментально установлено, что верхняя граница слоясоответствует положению максимального значения радиальной индукции Br max по срединнойлинии УК, а нижняя – положению некоторой величины kxBr max, где k – некоторый численныйкоэффициент, известные значения которого находятся в диапазоне 0,6..0,9 [17; 18; 19; 20].Кроме того конфигурация эквипотенциалей электрического поля в УК может быть близка кконфигурации силовых линий магнитного поля [1], так как электроны могут свободноперемещаться вдоль силовых линий.