Автореферат (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 2

Сувеличением разрядного напряжения значимость этого процесса может возрасти.Поэтому представлялось необходимым изучить параметры ионов в радиальныхпотоках вблизи двигателя и их зависимость от режимов работы двигателя с тем,чтобы получить новые данные для анализа происхождения рассматриваемыхионов с достаточно большой энергией.Во второй главе приведено описание экспериментальной установки,методик и результатов экспериментального исследования особенностей работы ихарактеристик двигателей выбранной схемы на высоковольтных режимах прималых расходах рабочего газа и различных схемах питания разряда в них.Эксперименты проводились на стенде У-2В-1 с вакуумной камерой диаметром 2ми рабочей длиной до 3м, откачиваемой 6 высоковакумными криогенныминасосами типа Velco 630Хе, турбомолекулярным насосом FT-6300WH ифорвакуумным насосом iH1000 DOC Edwards, обеспечивавшими остаточноедавление в вакуумной камере при длительной откачке ниже 1,5•10-4 Па и рабочеедавление в камере при работе моделей СПД-100П и СПД-140П с расходамиксенона через ускорительный канал до 5мг/с не выше 4•10-3 Па.Стенд оборудован источниками питания для работы СПД с одним или двумякатодами с рабочими напряжениями до 1500В, источниками для питания цепейнакалакатодовикатушекнамагничиванияиспытываемыхдвигателей,средствами измерения тяги, развиваемой двигателями масштаба СПД-100 и СПД140, с точностью не хуже 4%, приборами для измерения токов и напряжений9питания класса 0,5, средствами измерения расхода ксенона через ускорительныйканал и катод с погрешностью не более 3%, а также приборами для измерениясреднеквадратичной амплитуды колебаний разрядного тока и разрядногонапряжения, системой измерения параметров ускоренного потока ионов в струеСПДнаосновеэлектростатическихзондовиэлектростатическогоэнергоанализатора, позволяющей оценивать расходимость струи и определятьэнергетические характеристики ионов, истекающих из двигателя по разнымнаправлениям.

Все это позволяло осуществлять достаточно полную оценкухарактеристик двигателя.С учетом относительно больших ошибок измерений основных параметровдвигателей в работе использовался метод сравнительных испытаний, которыйпозволял выявлять лучшие варианты схем питания двигателя и режимов егоработы, поскольку при измерениях параметров одними и теми же средствами насопоставимых режимах работы систематические ошибки можно считатьодинаковыми.Предварительная оптимизация магнитного поля в ускорительном каналепутем подбора положения магнитного экрана и его размеров при питании разрядапо одноступенчатой схеме и по двухступенчатой схеме питания разряда показали,что эта модель обеспечивает уровень тяговых характеристик, близкий к уровнюлучших моделей двигателя традиционной схемы.

Они показали также, что припереходе к низким расходам рабочего газа, когда с увеличением напряжениявыше определенного значения происходит возрастание разрядного тока безсоответствующего возрастания тяги, можно за счет перехода к двухступенчатойсхеме питания разряда получить небольшое повышение тягового КПД двигателя,по крайней мере, при ускоряющих напряжениях (700-1000) В.Эксперименты показали также, что положительный эффект достигается ужепри смещениях магнитного экрана от -50В до -100В. При этом ток в цепимагнитного экрана оказывается незначительным. Объяснить полученный эффектможно тем, что при пониженных потенциалах магнитного экрана уменьшаетсявзаимодействие потока электронов с поверхностью экрана и, следовательно,10уменьшаются потери энергии электронов, пристеночная проводимость и,соответственно, электронная составляющая разрядного тока.

Важно также то, чтополученный эффект позволяет при одной и той же суммарной мощности выйти наболее высокие разрядные напряжения и за счет этого получить более высокийудельный импульс.Для оценки возможности обеспечения достаточно большого ресурсадвигателявыбраннойсхемыбылипроведеныэрозионныеиспытанияоптимизированной модели СПД-100П на режиме работы с анодным расходомрабочего газа (ксенона) ma=2,2мг/с, напряжении на первой ступени – 50В,напряжении на второй ступени 750В и мощности разряда порядка 2кВт. Оценкабыла проведена с использованием разработанной в НИИ ПМЭ МАИ поэтапнойметодики ожидаемого времени износа выходных элементов разрядной камеры довыхода ионного потока на магнитные полюса.

При реализации этой методики напервом этапе были проведены эрозионные испытания для определенияраспыляющей способности ионного потока. Затем было осуществлено расчетноеопределение профилей стенок до момента времени, когда средний угол ихразворота из-за износа составил около 30 градусов, механическое уширениеускорительного канала до расчетного с последующей приработкой профилейстенок и определен новый профиль стенок. С использованием полученныхпрофилей стенок после первого этапа эрозионных испытания и после приработкибыл осуществлен прогноз дальнейшего износа стенок. Полученные результатыпоказали, что в силу замедления износа по мере разворота профилей стенок иуменьшения плотности потока ионов на них выход поверхностей износа наполюса магнитной системы должен произойти не ранее, чем через (5-10) тысяччасов наработки двигателя.

Таким образом, было получено, что проведеннойоптимизацией магнитной системы созданыпредпосылки для получениядостаточно большого ресурса двигателя на выбранном режиме работы.В ходе эрозионных испытаний также осуществлялся контроль стабильностиработы двигателя при суммарной наработке около 50 часов. Результатыиспытаний показали, что при уширении ускорительного канала снизились на (5117)% значения удельного импульса тяги и значения тягового КПД примерно на10%.

Этот результат совпадает с полученными и другими авторами и для другихмоделей СПД. Он объясняется уменьшением плотности потока рабочего веществапри уширении ускорительного канала, а также загрязнением стенок распыленнымс выходных участков стенок материалом.Помимо этого следует отметить, что в модели СПД-100П изменилсяхарактер загрязнения стенок, а именно: во время работы двигателя наповерхности магнитного экрана осаждается распыленный с выходных участковстенок разрядной камеры материал, который приводит к образованию слоевпорошка на указанной поверхности.

Образование слоев упомянутого порошкаразной толщины в различных частях разрядной камеры со временем приводит кпериодическим выбросам раскаленных частиц, сопровождающихся броскамиразрядного тока, а также к образованию длительно существующих разогретыхобразований, приводящих к увеличению разрядного тока. Это можно объяснитьтем, что дрейфующие электроны взаимодействуют с наиболее высокими изназванных образований и разогревают их, что приводит к увеличениюпродольной составляющей электронного тока в силу эффекта пристеночнойпроводимости, увеличению «сквозного» электронного оттока и снижениютягового КПД. Методические эксперименты показали также, что удалениепорошка приводит к восстановлению тяговых характеристик двигателя.Совокупность полученных данных позволила сделать вывод о том, чтовыбранная схема является перспективной для создания на ее основе СПД свысоким удельным импульсом.

Однако необходимо разработать меры дляуменьшения влияния уширения канала и загрязнения стенок разрядной камеры напараметры двигателя.Дальнейшие исследования особенностей работы моделей СПД выбраннойсхемы были проведены в процессе разработки модели СПД-85П с наружнымдиаметром ускорительного канала, который можно было изменять в пределах (8285) мм. Уменьшение масштаба модели позволяло сузить распределение индукциимагнитного поля и увеличить плотность потока РТ через ускорительный канал на12(20-25)% с целью уменьшения протяженности слоя ионизации и ускорения.

Врезультате при разрядных напряжениях (700-900)В и сопоставимых мощностяхразряда удалось повысить на 500м/с удельный импульс тяги при сохранениизначений тягового КПД, близкими к полученным для СПД-100П и меньшуюпротяженность зон эрозии. Таким образом, модель СПД-85П представляласьдостаточно перспективной. Кроме того, в результате исследований модели СПД85П были получены следующие результаты:- выявлена новая особенность работы на режимах с повышенным разряднымнапряжением – меньшая устойчивость рабочего режима двигателя во времени ипоказано, что она может быть повышена за счет повышения азимутальнойравномерности распределения индукции магнитного поля и подачи рабочего газав ускорительный канал;- была показана возможность устранения образования порошкообразныхосадков на стенках разрядной камеры защитными экранами, изготовленными изтой же керамики, что и выходные кольца, на которых осаждающийсяраспыленный материал образует достаточно прочную пленку, как и у серийныхсовременных СПД;- на начальном этапе работы СПД с исходными цилиндрическими стенкамивыходныхучастковразряднойкамерымодельобеспечивалаполучениедостаточно высокого уровня тягового КПД и удельного импульса тяги, но помере увеличения наработки двигателя, как и в модели СПД-100П, а также другихмоделяхстандартнойсхемы,работающихприповышенныхразрядныхнапряжениях, происходило постепенное снижение названных параметров из-зауширения разрядной камеры и загрязнения ее стенок продуктами распыления еевыходных участков.Таким образом, проведенные исследования позволили выявить ряд новыхособенностей работы СПД выбранной схемы на режимах работы с повышеннымиразрядными напряжениями, которые должны учитываться при разработкевысокоимпульсных двигателей.В главе 3 изложены результаты разработки способов предотвращения13негативных эффектов, обнаруженных при исследованиях моделей СПД-100П иСПД-85П.