Диссертация (Выбор параметров разрядной камеры высокочастотного ионного двигателя), страница 3

Поэтому насовременных КА они не используются [4]. К двигателям с внешним магнитнымполем относится торцевой холловский двигатель (ТХД). Нижний уровеньмощности ТХД, при котором реализуются режимы работы с КПД не меньше 30%,заметно ниже, чем у ТСД, и составляет 15 … 20 кВт [4]. Однако вопрос ресурсатаких систем остается открытым, и их мощность является по-прежнему высокой сточки зрения энергетики современных орбитальных КА, что сдерживает ихприменение [4].К электромагнитным двигателям с внешним магнитным полем условномогут быть отнесены и так называемые холловские двигатели [8], [9]. В основедействия холловского двигателя лежит идея создания электрического поля вобъеме плазмы при использовании замкнутого дрейфа электронов.

На базе этойидеи были разработаны две схемы холловских двигателей — двигатель с аноднымслоем (ДАС) и стационарный плазменный двигатель (СПД) [9]. Принято считать,что размер зоны ускорения в осевом направлении в СПД больше, чем в ДАС. Темне менее, эти двигатели близки по принципу действия и достигаемым параметрам.В диапазоне удельных импульсов тяги 15000 … 20000 м/с двигатели данного типа14имеют наилучшие выходные характеристики при использовании в качестверабочего тела ксенона [4]. Повышение удельного импульса у СПД сопряжено срядом технических трудностей и вопросами надежности работы системы, поэтомуих использование для перспективных КА с высоким удельным импульсом тягизатруднительно [7].

Следует отметить, что угол расходимости струи у холловскихЭРД около 90°, что приводит к нежелательному воздействую струи двигателя наэлементы конструкции аппарата [3], [10].В электростатических двигателях (ЭСД) рабочее тело в виде положительнозаряженных частиц (положительных ионов) ускоряется в электростатическом полес последующей компенсацией заряда электронами на выходе из двигателя.Рабочий диапазон по удельному импульсу для ионных двигателей на ксеноненачинается с 25000 м/с и ограничивается потребным для КА из условияминимальной массы энергосиловой установки. С ростом IУД эффективностьдвигателей только возрастает.

Так для удельного импульса IУД = 30000 м/сзначения тягового КПД составляют порядка 60%, для IУД = 50000 м/с тяговый КПДсоставляет 80...85% [6], [3]. ЭСД также характеризуются длительным временемработы (ресурс современных образцов достигает 30 000…45 000 часов) и высокойфокусировкой ионного потока — до 95% частиц струи находятся в конусе с угломраскрытия 20° [3].

ЭСД допускают независимую регулировку в широкихдиапазонах выходных характеристик, таких как тяга и удельный импульс тяги. Всеэти факторы обусловливают востребованность их применения на современных ибудущих КА, а также в качестве маршевых двигателей для межпланетныхстанций.Классическим представителем ЭСД является ионный двигатель (ИД) [4]. ВИД функционально разделены область генерации плазмы — газоразрядная камера(РК) и область ускорения ионов – набор электродов в виде сеток с разнымипотенциалами – ионно-оптическую система (ИОС). С учетом этого ИД иногданазывают сеточными ЭРД. Ионизация рабочего тела происходит либо в разрядепостоянного тока, либо в безэлектродном разряде переменного поля высокойчастоты.

Квазинейтральность плазмы в ГРК поддерживается за счет размещения15внутри нее коллектора электронов, на который уходит ток электронов, численноравный току извлеченных ионов.Ионно-оптическая система вытягивает и ускоряет ионы, образованные вобъеме разрядной камеры, и фокусирует их в пучок. ИОС состоит из двух или трехэлектродов (сеток) – перфорированных пластин как плоской, так и вогнутойформы [3].

Первая сетка — эмиссионный электрод, контактирует с плазмой иимеет её потенциал – обычно высокое положительное напряжение, которое можетбыть приложено как к самому электроду, так и к любому электропроводящемуэлементу в ГРК. Вторая сетка, или ускоряющий электрод, находится под высокимотрицательнымпотенциалом.Суммаположительногоиотрицательногопотенциалов есть ускоряющее напряжение, которое и формирует пучок ионов.Третья сетка, выходной или замедляющий электрод, находится под нулевымпотенциалом – потенциалом корпуса КА.

Он замедляет ионы, так что конечнаяскоростьистеченияпучкаионовсоответствуеттолькоприложенномуположительному высокому напряжению. Однако основное назначение выходногоэлектрода предотвращать интенсивное выпадение ионов на ускоряющий электродиз внешней по отношению к ГРК плазмы, образованной за ионно-оптическойсистемой, вследствие столкновений ионов с нейтральными частицами инейтрализации пучка ионов потоком электронов. Замедляющий электрод имеет теже размеры, что и предыдущие электроды и то же количество отверстий,расположенных соосно.Для компенсации положительного заряда струи, в случае использования наборту КА, устанавливается нейтрализатор – его задача эмитировать в окружающеепространство электронный ток, равный по величине току ионов, выходящих изИОС.Ионные двигатели различаются по типу ионизации рабочего тела в объемеразрядной камеры.

Самым распространенным является двигатель с такназываемой «схемой Кауфмана», когда ионизация осуществляется в газовомразряде постоянного тока электронами, эмитированными с катода. Данныеэлектроны удерживаются в объеме разрядной камеры посредством магнитного16поля. Распределение поля выбирается таким образом, чтобы электроны двигалисьв объеме ГРК осциллируя межу катодом и эмиссионным электродом, имеющимкатодный потенциал, и ионизовали как можно больше атомов рабочего тела, передтем как достигнуть анода [3], [6].Двигателисразрядомпостоянноготокаявляютсясамымираспространенными и технологически отработанными среди всех сеточных ЭРД.Но у этих двигателей есть существенный недостаток – наличие электродов вобласти генерации разряда.

В частности, требуется наличие катода – эмиттераэлектронов, который из-за больших радиационных потерь ионов в ГРК долженгенерировать токи, на порядок превосходящие ток пучка ионов в ИОС.Используемые в настоящее время катоды в ГРК ИД выполнены по схеме пологокатода с эмиттерами на основе вольфрама с покрытием эмитирующей поверхностипленкой бария для снижения работы выхода [11]. Его использование ведет, вопервых, к высоким требованиям по чистоте рабочего тела и, как следствие, кувеличению цены рабочего тела. Во-вторых, к необходимости глубокойконструкторско-технологической проработки катодного узла, с целью повышенияего ресурса, что ведет к большим финансовым и временным затратам присоздании ИД.Кардинальным решением данной проблемы является генерация ионов вбезэлектродном разряде, организованном в ГРК. К таким ионным двигателямотносятся высокочастотный ионный двигатель (ВЧ ИД) и сверхвысокочастотныйионный двигатель (СВЧ ИД).

СВЧ ИД был установлен на борту научного аппаратаHayabusa и Hayabusa 2, Японского космического агентства [4]. Хотя этот тип ЭРДи находится в эксплуатации, он все же является исследовательским изделием.Пока создан только двигатель одного типоразмера и его отработка продолжается.Более зрелым с технической и практической точки зрения является ВЧ ИД.Данный двигатель был установлен на двух европейских платформах EURECA иARTEMIS, отработано целое семейство данных двигателей с диаметрами ионногопучка от 4 см до 35 см [12]. Простота и технологичность конструкции позволяют вкороткие сроки создать летную модель этого двигателя для конкретной задачи. ВЧ17источник может работать на любом газе или смеси газов, это являетсянесомненным преимуществом этих устройств.Рассмотримподробнеепринципработыиэтапыотработкивысокочастотного ионного двигателя.1.2ПринципиальнаяВысокочастотный ионный двигательсхемавысокочастотногоионногодвигателяилирадиочастотного источника ионов, показана на рисунке 1.1 [13].Рисунок 1.1  Схема высокочастотного ионного двигателя.Разрядная камера (РК), вокруг которой намотан индуктор, изготавливаетсяиз радиопрозрачных материалов – например кварца или алунда.

Индуктор илииндуктивная катушка, расположенная, как правило, на наружной поверхности РК,запитана переменным напряжением с частотой от 0,5 МГц и выше – до десятков18мегагерц, наводит в объеме разрядной камеры осевое магнитное поле с индукциейB:B  B0 sint (1.2)Производная по времени этого поля:dB B0 cost dt(1.3)В силу законов Максвелла создается вихревое электрическое поле:  rotE dBdt(1.4)Это вихревое поле вращается вокруг оси симметрии индуктора, ускоряет илизамедляет свободные электроны. Если в часть периода, когда электрон приобрететэнергию, произойдет его столкновение с атомом или молекулой, то с большейдолей вероятности произойдет ионизация последних (в основном в результате«ступенчатого» механизма [14]).

Если столкновения не произошло или былаиспользована только часть энергии электрона, то переменное поле тормозитэлектрон и его энергия идет обратно в систему электропитания. Таким образом, видеальном случае электроны получают из внешнего ВЧ-поля столько энергии,сколько необходимо для ионизации газа. На самом деле всегда существуют ипотери энергии, поэтому реально затраты на ионизацию (цена иона) значительновыше теоретической и могут быть оценены лишь из эксперимента [14].ВЧ-разряд создает неравновесную плазму, ее плотность зависит отвведенной мощности разряда и достигает величины порядка 1017 ионов на м3 [12].Плотность плазмы уменьшается от центра РК к стенкам, в то время кактемпература электронов, напротив, растет, вследствие увеличения напряженностивихревого электрического поля (см.

рис. 1.2).19Рисунок 1.2  Распределение локальный параметров поперек РК [15].Потребная мощность ВЧ-генератора, отдаваемая в плазму, определяетсязатратами на получение необходимого ионного тока при заданном расходерабочего тела или давлении в разрядной камере. Характер данных зависимостейпоказан на рисунке 1.3 [16]. Как видно из поведения данных кривых, при высокихзначениях расхода частота столкновений электронов с атомами растет,следовательно, растет и число ионизованных атомов, поэтому, для получениянеобходимого ионного тока ВЧ-мощность может быть снижена. В случае низкихрасходов рабочего тела, вследствие снижения концентрации атомов частотастолкновений уменьшается, как и количество образовавшихся ионов. Поэтому, дляполучения заданного ионного тока необходимо увеличивать энергию электронов(ВЧ-мощность) для сохранения того же уровня частоты ионизации в камере.20Рисунок 1.3  Потребление ВЧ-мощности как функция от расхода с токомпучка в качестве параметра.Эксперименты [12] показывают линейный характер зависимости междувводимой мощностью и током пучка.

Для одного из двигателей даннаязависимость показана на рисунке 1.4.21Рисунок 1.4  Зависимость тока пучка ионов ксенона, ртути и аргона отвводимой мощности для двигателя RIT-35.1.3История разработки и исследования ВЧ ИДСогласно обзору [2] в работе Престона-Томаса, опубликованной в 1952 году[17] помимо предвидения распыления ИОС ионами и влияния многократноионизованных ионов на КПД ИД впервые было высказано предположение опреимуществе высокочастотного разряда для ионизации рабочего тела в ЭРД.Первые практические и теоретические исследования ВЧ ИД стартовали вначале 1960-х в ФРГ в Гиссенском университете и были сконцентрированы восновном на двигателях с диаметром пучка порядка 10 см.В 1962 году были опубликованы результаты расчетов и испытанийдвигателя с диаметром РК 8,6 см [18].