Автореферат (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 3

При этом на основе анализа факторов, определяющих продольнуюпротяженность слоя ионизации и ускорения (СИУ) и полученных ранее для СПД100П и СПД-85П данных предполагалось, что увеличение плотности потока черезускорительный канал позволит уменьшить толщину СИУ и протяженность зонэрозии стенок разрядной камеры, а также снизить влияние упомянутого уширенияна работу и характеристики двигателя за счет создания запаса по плотностипотока, обеспечивающего приемлемый его уровень даже при уширенииускорительного канала и уменьшения общего потока распыленного материалавнутрь разрядной камеры за счет сокращения протяженности зон эрозии и общегоколичества распыленного материала.

С учетом изложенного в процессеисследования решались задачи максимального сужения и выдвижения СИУ заплоскость полюсов магнитной системы за счет дальнейшей оптимизациимагнитного поля в ускорительном канале и повышения плотности потокарабочего газа в ускорительном канале двигателя.Известным решением задачи выдвижения СИУ в продольном направленииявляется соответствующее выдвижение максимума распределения индукциимагнитного поля, реализованное уже при разработке двигателя СПД-100.

Вданном случае в результате моделирования магнитного поля было найдено такоесоотношение размеров элементов магнитной системы, при котором максимуммагнитной индукции на срединной поверхности ускорительного канала, ккоторомуобычнопривязываетсясрезускорительногоканала,оказалсявынесенным за плоскость наружного полюса на 7-8 мм. При этом конфигурациясиловых линий магнитного поля обеспечивает возможность и так называемоймагнитной защиты стенок разрядной камеры, прорабатываемую в настоящеевремя в США. Кроме того, найденное соотношение размеров элементовмагнитной системы позволило сузить выходную часть ускорительного канала до11мм.

Это позволяло реализовать на (35-40)% более высокие плотности потокарабочего газа по сравнению с реализуемыми при том же расходе и традиционнойширине ускорительного канала порядка 15 мм для моделей масштаба СПД-100.14С учетом полученных результатов была разработана, изготовлена ииспытана модернизированная модель двигателя типа СПД-100ПМ (см. рисунок2(а)), в которой кроме уже описанных особенностей была предусмотрена защитаповерхностимагнитногоэкранакозырькамиизкерамики.Определениехарактеристик модели СПД-100ПМ с исходной цилиндрической геометриейускорительного канала и с уширенной на 45 градусов выходной частью каждойстенки в зонах эрозии, определенных после двадцатичасовых испытаний настабильность параметров с исходной геометрией выходных стенок.

Результаты ееиспытаний показали, что, как и планировалось, протяженность зон эрозии нанаружной стенке оказалась равной 5-6 мм, а на внутренней - около 7 мм, т.е.значительно меньше, чем в модели СПД-100П. Таким образом, заложенными примодернизации модели СПД-100ПМ решениями удалось сузить и сдвинуть СИУ ввыходном направлении на достаточную для обеспечения большого ресурсавеличину.(а)(б)Рисунок 2 (а) – Модернизированная модель двигателя типа СПД-100ПМ; (б) Картина силовых линий магнитного поля и распределение радиальной компонентыиндукции магнитного поля вдоль срединной поверхности ускорительного каналаРезультаты проведенных испытаний (рисунок 3) показали, что модель СПД100ПМприисходнойгеометрииускорительного15каналаобеспечиваетпрактически такой же уровень тяговых характеристик, что и модель СПД-100П, ауширение канала в зонах эрозии на угол 45 градусов на сторону приводит куменьшению удельного импульса тяги не более чем на 3% от начального егоуровня, т.е.

это уменьшение значительно меньше, чем было у моделей СПД-100Пи СПД-85П (рисунок 3(а)). Результаты проведенных испытаний (рисунок 3)показали также, что в модели СПД-100ПМ по мере приработки профилей стенок,заданных механической обработкой, происходит некоторое повышение тяговогоКПД и удельного импульса тяги, и их значения выходят на уровень, близкий кисходному (см. рисунок 3(б)).Iуд, м/cht400001,000,900,800,700,600,500,400,300,200,100,00350003000025000200001500010000До черты - новые кольцаПосле черты - расточенныекольца5000001000200030004000До черты - новые кольцаПосле черты - расточенные кольца050001000200030004000t, мин5000t, мин(а)(б)Рисунок 3 (а) – Изменение «анодного» удельного импульса тяги за времяконтрольной наработки модели СПД-100ПМ; (б) – Изменение «анодного»тягового КПД за время контрольной наработки модели СПД-100ПМТаким образом, заложенные при разработке модели СПД100ПМ решенияпозволили сохранить достаточно высокий уровень тягового КПД и удельногоимпульса тяги при значительном уширении ускорительного канала.С учетом результатов, полученных для модели СПД-100ПМ, была такжеразработана, изготовлена и исследована модернизированная модель двигателятипа СПД-140ПМ, в которой были реализованы те же решения по улучшениюорганизации процессов в двигателе, что и в модели СПД-100ПМ.Поскольку выдвижение СИУ и сокращение его продольной протяженности вмодели СПД-100ПМ позволило уменьшить продольные размеры зон эрозии иснизитьэнерговыделениенастенкахразряднойкамеры,можнобылопредполагать, что с моделью СПД-140ПМ удастся продвинуться по разрядному16напряжению и удельному импульсу тяги до более высоких значений.

Кроме того,при исследовании модели СПД-140ПМ представлялось целесообразным болееполно изучить влияние возможных схем питания разряда на работу ихарактеристики двигателя выбранной схемы на режимах работы с высокимудельным импульсом тяги.С учетом изложенного при исследовании модели СПД-140ПМ определялисьвольтамперные и тяговые характеристики модели в расширенном диапазонеразрядных напряжений и удельных импульсов тяги при различных схемахпитания разряда и мощности разряда до 5кВт, приемлемой для обеспечениядостаточно большого ресурса двигателя масштаба СПД-140.Полученные данные свидетельствуют о следующем:- модернизированная модель СПД-140ПМ может стационарно работать приразрядных напряжениях до (1400-1500)В (рисунок 4) тогда, как стандартнаямодель - до разрядных напряжений до (1000-1100)В;- во всем диапазоне разрядных напряжений (300-1400)В наилучшиехарактеристики получаются при работе модели по двухступенчатой схеме исмещении потенциала магнитного экрана -70В относительно анода, при этомудается получить значения «анодного» (рассчитанного без учета расхода в катод)удельного импульса тяги до 40км/с и полного удельного импульса тяги до 35км/с.ht0,800,750,700,650,600,550,500,45ma=3,5мг/с_изолрованный МЭma=3,5мг/с_22кОмma=3,5мг/с_магнитный_анодma=3,5мг/с_двухступенчатый режим0,400,350,302004006008001000120014001600Ud,ВРисунок 4 – Зависимость тягового КПД модели СПД140ПМ от режима работы и схемы питания разрядапри расходе через ускорительный канал 3 мг/с17Приведенные данные свидетельствуют о том, что управление потенциаломмагнитногоэкранапозволяетв определенныхпределахконтролироватьхарактеристики двигателя и наилучшие характеристики получаются придостаточно большом отрицательном смещении потенциала магнитного экранаотносительноанода.Приэтомочевидно,уменьшаетсявзаимодействиеэлектронов с поверхностью магнитного экрана, что и приводит к уменьшениюэлектронной составляющей разрядного тока и заметному повышению тяговойэффективностидвигателянарежимахработысмалымирасходами,представляющими интерес для высокоимпульсных двигателей.В главе 1 отмечалось, что при изолированном магнитном экране возникаютопределенные трудности зажигания основного разряда при низких расходахрабочего тела.

Проведенный анализ и специально поставленные экспериментыпоказали, что основной причиной является низкий потенциал изолированногомагнитного экрана при работающем в режиме поджига катоде, не превышающий(25-30)В относительно катода. Поэтому разность потенциалов между катодом ипространством внутри разрядной камеры оказывается незначительной, что всовокупности с уменьшением интенсивности взаимодействии электронов состенками затрудняет попадание необходимого потока электронов в этопространство и зажигание разряда.

Было установлено также, что названныетрудностиустраняютсяприсоединениимагнитногоэкранасанодомнепосредственно или через сопротивление порядка 20кОм, повышающемпотенциал магнитного экрана в период зажигания разряда в двигателе, а такжепри двухступенчатой схеме питания разряда.Четвертая глава посвящена исследованиям радиальных ионных потоков вокрестности выходной плоскости СПД и исследованию возможных способовзащиты элементов катода от их эрозии в результате ионной бомбардировки.В результате анализа, приведенного в главе 1, было показано, чтозначительную часть потока ионов в радиальных потоках составляют ионыперезарядки. Но их энергия не может быть больше (15-20)эВ, что подтверждаетсяирядомизмерений.Этоозначает,18чтораспылениеэлементовкатодаосуществляется ионами с достаточно большой энергии иного происхождения.Для выявления возможных источников появления ионов повышеннойэнергии в радиальных потоках ионов было проведено экспериментальноеисследование параметров плазмы и ионов в потоках, движущихся в окрестностивыходной плоскости модели СПД-85П в непосредственной близости от двигателяс использованием системы плоских зондов Лэнгмюра и многосеточного зонда –энергоанализатора.