Автореферат (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 4

Дело в том, что в проведенных ранее экспериментахизмерения проводились на расстояниях от двигателя не менее 0,5м, а на этихрасстояниях измеряемые сигналы малы. Больше того, с увеличением расстоянияот двигателя в радиальном направлении все большую роль в измеряемом сигналеначинают играть ионы перезарядки, попадающие в измерительный датчик из всебольшей части струи. Поэтому все сложнее становится выделять ионыповышенной энергии, и авторы измерений, выполненных на расстоянии (0,5-1)м,не могли выделить ионы с повышенными энергиями.Для проведения исследования этого была разработана методика и изготовленспециальный экспериментальный узел (рисунок 5).

Исследование было проведенов диапазоне разрядных напряжений (300-800)В и расходов ксенона черезускорительный канал 2,1 и 2,5мг/с. В результате было установлено, что врадиальных ионных потоках присутствуют ионы с энергиями в диапазоне (50200)эВ и средней энергией в диапазоне (80-120)эВ.

При этом средняя энергияэтих ионов и плотность тока оказались слабо зависящими от разрядногонапряжения.В результате анализа возможных процессов, способных привести кобразованию ионов средней энергии в радиальных потоках ионов в качествеосновного было выбрано образование и ускорение ионов в выходной частиускоряющего слоя разряда в двигателе, вынесенного в современных двигателях запределы ускорительного канала.В прикладном плане важно то, что с повышением разрядного напряженияпроблема эрозии элементов катода в соответствии с полученным данными неусугубляется. Тем не менее, поскольку проблема существует, в работе19рассмотрены возможные пути защиты катодов. Самым простым среди нихявляется выбор положения катода, при котором радиальные потоки ионов сосредней энергией не должны попадать на поверхности элементов катода.

Новажно понять, как при этом изменятся характеристики двигателя и не затруднитсяли его запуск. Поэтому было проведено исследование влияния положения катодана характеристики двигателя, работающего при повышенном разрядномнапряжении. Для этого на первом этапе было проведено исследованиехарактеристик модели СПД-85П с различными боковыми положениями катодаотносительно анодного блока, при которых ионы из радиальных потоков недолжны попадать на поверхности катода.

В результате было получено, что и притакихположенияхкатодатяговыепараметрыдвигателясохраняютсянеизменными в пределах точности измерений, несмотря на заметное изменениеразности потенциалов между катодом и корпусом вакуумной камеры («землей»),свидетельствующемовозможномуменьшенииэффективнойразностипотенциалов, ускоряющей ионы и повышении электронной температуры.(а)(б)Рисунок 5 – Схема расположения плоских зондов и энергоанализатораотносительно модели, (а) – Вид сбоку; (б) – Вид спередиОдним из возможных объяснений полученного результата являетсяпредположение о том, что при удалении катода поток ксенона из него создаетменьшуюазимутальнуюнеравномерностьраспределенияконцентрациинейтрального газа на выходе из двигателя и, соответственно, оказывается20меньшее негативное влияние этой неравномерности на рабочие процессы вдвигателе, что компенсирует увеличение разности потенциалов «катод-земля».Для проверки этой гипотезы был проведен эксперимент, в котором на катоддистанционно надвигался экран с вырезом, уменьшавший проходное сечение длявыхода электронов и нейтральных атомов из прикатодной области в пространствона выходе из двигателя.Эти эксперименты показали, что вплоть до положения, при котором остаетсяминимальное отверстие для свободного выхода электронов из прикатоднойобласти уменьшение проходного сечения практически не сказывается на работедвигателя.

Таким образом, во-первых, было показано, что рассмотреннаяазимутальная неравномерность несущественно влияет на работу двигателя. Вовторых, из полученного результата следует, что при необходимости можнозащищать катод от радиальных потоков ионов дополнительными экранами,выполненными из износостойкого материала, поскольку возможно значительноеперекрытие пространства между катодом и анодным блоком двигателя безсущественного изменения работы и характеристик двигателя.В Заключении сформулированы следующие выводы по работе:1.

Проведен анализ состояния разработки СПД и показана актуальностьразработки двигателей этого типа с повышенными до (25-30) км/с и болееудельными импульсами тяги.2. Проведен анализ возможных конструктивных схем СПД для работы нарежимах с высоким удельным импульсом тяги. Показано, что предложенная вНИИ ПМЭ МАИ схема СПД с магнитным экраном внутри разрядной камерыявляется перспективной для двигателей, работающих с высокими разрядныминапряжениями и удельными импульсами тяги.3.

Проведено исследование лабораторных моделей СПД с магнитнымэкраном внутри разрядной камеры типа СПД-100П, СПД-85П, разработаны иисследованыусовершенствованныемоделиСПД-100ПМиСПД-140ПМ,определены их интегральные характеристики и выявлены особенности работыдвигателей такой схемы. В частности показано, что:213.1.Двигателивыбраннойсхемыобладаютзначительнымивозможностями управления характеристиками магнитного поля в ускорительномканале и позволяют получать тяговые характеристики двигателя, сопоставимые стяговыми характеристиками двигателей традиционной схемы при меньшей масседвигателя и меньших затратах на создание магнитного поля. Выбранная схемаобеспечивает также получение меньшей протяженности слоя ионизации иускорения и протяженности зон эрозии на стенках разрядной камеры и за счетэтого обеспечивает возможность более длительной работы двигателя на режимахработы с высокими удельными импульсами тяги.3.2.

При длительной работе двигателей такой схемы осаждениераспыленного с выходных участков стенок разрядной камеры материала наповерхностимагнитногоэкранапроисходитввидеслабосвязанныхсповерхностью порошкообразных частиц, неравномерное накопление которых наотдельных частях стенок разрядной камеры приводит к увеличению разрядноготока и снижению тяговой эффективности двигателя. Негативное влияние этогопроцесса можно снизить с помощью защитных экранов, выполненных из того жематериала, что и материал выходных участков стенок разрядной камеры, а такжеза счет предварительного уширения выходной части разрядной камеры.3.3. В двигателе выбранной схемы с изолированным («плавающим»)магнитным экраном затруднено зажигание основного разряда при малыхрасходах через ускорительный канал из-за того, что магнитный экранприобретает низкий потенциал при работе катода в режиме поджига.

Названноезатруднение можно устранить соединением магнитного экрана с анодомнепосредственно или через достаточно большое омическое сопротивление, атакже переходом на последовательную двухступенчатую схему питания разряда,когда на магнитный экран подается отрицательное смещение (50—100)Вотносительно анода.4. Исследованы возможности и разработаны способы повышения тяговогоКПД двигателя с магнитным экраном внутри разрядной камеры на режимахработы с высокими удельными импульсами тяги. Показано, что выдвижением22максимума распределения магнитного поля при одновременном сужениивыходной части ускорительного канала можно снизить негативное влияниеуширения ускорительного канала из-за износа ограничивающих его стенок натяговые характеристики двигателя и обеспечить при уширениях выходной частиускорительного канала до 45 градусов на сторону уровень названныххарактеристик, близкий к уровню тяговых характеристик при исходнойцилиндрической геометрии ускорительного канала.

Показано также, чтонаилучшие тяговые характеристики двигателя на режиме с высоким удельнымимпульсом тяги получаются при реализации двухступенчатой схемы питанияразряда. Данная схема позволяет расширить диапазон рабочих режимов СПД посуммарному разрядному напряжению до 1400В и обеспечить возможностьполучения «анодного» удельного импульса тяги до 40км/с и «анодного» тяговогоКПД порядка 0,6 при мощностях разряда двигателя масштаба СПД-140 до 5 кВт.На основе этих исследований разработаны лабораторные модели двигателейСПД-100ПМ и СПД-140ПМ, способные работать как в одноступенчатом, так и вдвухступенчатом режимах с удельными импульсами тяги до 30км/с и 35км/с,соответственно, и тяговым КПД более 50%.

Эти модели могут быть использованыв качестве прототипов при разработке опытных образцов СПД с высокимудельным импульсом тяги.5. Проведено исследование плотности тока и энергетических характеристикионов в радиальных потоках, движущихся в окрестности выходной плоскостиСПД, а также возможностей защиты катодов от распыления названными ионами.Показано, что в этих потоках значительную долю составляют ионы со среднейэнергией (80-120)эВ, слабо изменяющейся при изменении режима работыдвигателя, и что основным источником этих ионов является выходная часть слояионизации и ускорения, вынесенная в современных СПД за пределыускорительного канала.

Показано также, что при боковом расположении катодаон может быть защищен размещением его вне пределов прямой видимости изупомянутой выходной части слоя ионизации и ускорения или экраном изизносостойкого материала, размещенным между катодом и анодным блоком23двигателя.Публикации по теме диссертации:Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:1. Ким В.П., Меркурьев Д.В., Сидоренко Е.К. Исследование параметровплазмы и радиальных потоков ионов вблизи выходной плоскости СПД // ВестникМосковского авиационного института – 2014.

– Т. 21, №1. - С. 95-103.2. Ким В.П., Архипов А.С., Бишаев А.М., Меркурьев Д.В., Сидоренко Е.К.Исследование формирования потоков ионов перезарядки вблизи выхода изускорительного канала стационарного плазменного двигателя // Физика плазмы. –2014. – Т. 40, №9.

- С. 1-9.Публикации в других изданиях и сборниках докладов:3. Ким В., Меркурьев Д.В., Сидоренко Е.К. Исследование параметров плазмы,а также радиальных и «обратных» ионных потоков в окрестности выходнойплоскости СПД на разных режимах его работы. // Тезисы докладов 12-оймеждународной конференции «Авиация и Космонавтика – 2013», Москва, МАИ,ноябрь 12-15, 2013, с.

348 – 350.4. Архипов А.С., Баранов С.В., Бишаев А.М., Ким В.П., Козлов В.И.,Меркурьев Д.В., Цыганков П.А. Исследование параметров плазмы и направленныхионных потоков в окрестности выходной плоскости стационарного плазменногодвигателя. // Тезисы докладов 13-ой международной конференции «Авиация иКосмонавтика – 2014», Москва, МАИ, ноябрь 17-21, 2014, с. 265 – 267.5. Arkhipov A.S., Baranov S.V., Bishaev A.M., Kim V., Kozlov V.I.

MerkurievD.V., Tsygankov P.A. Investigation of the plasma parameters and directed ion flows inthe vicinity of the stationary plasma thruster exit plane // Book of Abstracts 5th RussianGerman Conference on Electric Propulsion and Their Application, Dresden, Germany,September 7-12, 2014.6. Kim V., Arkhipov A. S., Bishaev A. M., Merkurev D. V, Pogorelov A.

A., PopovG. A. Investigation of the “back” and “radial” ion flows in the vicinity of the stationaryplasma thruster exit plane // paper IEPC-2015-247, 30th International Symposium on24Space Technology and Science 34th International Electric Propulsion Conference and 6thNano-satellite Symposium, July 5-10,2015, Hyogo-Kobe, Japan.25.