Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 10

В результате погрешность измерения расхода ванодной линии подачи газа была оценена величиной порядка 2.4%. Диапазон расхода вкатодной линии подачи составлял 0-5мг/с с погрешностью ±0,2мг/с.1 – вакуумная камера; 2 – тягоизмерительный отсек; 3 – высоковакуумныйкриогенный насос Velco 630Хе; 4 – форвакуумная магистраль; 5 – высоковакуумныйзатвор; 6 – турбомолекулярный насос Shimadzu FT-6300WH. Форвакуумный насос непоказанРисунок 2.1 – Схема вакуумной системы стендаДля обеспечения питания электрических цепей двигателя, использовались независимыеисточники питания:- источник питания разряда с диапазоном изменения напряжения 100-1500В;- источник поджигающего напряжения с номинальным значением 300В с балластнымсопротивлением;-источник постоянного напряжения типа PSW7 для питания накальной цепи катода сдиапазоном напряжения 0-80В и с током до 40А, пульсация напряжения составляет 0,05%;- три независимых источника постоянного напряжения типа PSW7 для питаниямагнитных катушек двигателя с диапазоном напряжения 0-80В и с током до 40А, пульсациянапряжения составляет 0,05%.Измерения всех электрических параметров в цепях питания разряда и катушекнамагничивания осуществлялось при помощи системы автоматической регистрации, а такжеконтролировалось независимыми измерениями при помощи стандартных амперметров ивольтметров точностью ±0,5% относительно максимального значения в диапазонеизмерения.

Контроль параметров в остальных цепях осуществлялся приборами спогрешностью измерений 1,5% от максимального значения в диапазоне измерений.47Между источником питания разряда и двигателем был установлен стандартный фильтрнизких частот с индуктивностью в анодной цепи L=0,35мГн и емкостью между анодом икатодом С=6мкФ. Была предусмотрена также возможность изменения параметров фильтра.Стенд оснащен также системой автоматической регистрации основных электрическихпараметров двигателя, расхода газа, показаний ТИУ в темпе эксперимента.

Указаннаясистема производит также расчет значений тягового КПД и удельного импульса двигателя.Измерения параметров струи двигателя на стенде У-2В-1 проводятся обычно с центромв точке пересечения оси двигателя с плоскостью среза его ускорительного канала вдольокружности, лежащей в плоскости, содержащей ось двигателя. Расстояние R от двигателя доконтрольной поверхности выбирается таким образом, чтобы в пределах объема,ограниченного рассматриваемой поверхностью, процессы взаимодействия «первичных»атомов и ионов между собой были бы в основном завершены, и дальнейшее их движениепроисходило без столкновений. В [77] было показано, что это расстояние должно составлять5-10 калибров двигателя, т.е.

для двигателей типа СПД-100 и СПД-140 R=0.7-1м.Аналогичная система диагностики была апробирована в работах [60, 61].В НИИ ПМЭ МАИ основным средством диагностики струи СПД являетсямногосеточный зонд – энергоанализатор. Для диагностики локальных параметров плазмыиспользуются электростатические лэнгмюровские зонды различной формы: в основномцилиндрические и плоские.Энергоанализаторустанавливаетсявнутривакуумнойкамерынаштанге,перемещающей его по окружности с радиусом R=0,15-0,9м, расположенной в плоскости,содержащей ось двигателя, с центром в точке пересечения оси двигателя с плоскостью срезаускорительного канала (см. рисунки 2.2). При этом ось зонда в каждом положении штангинаправлена в названный центр окружности.

Таким образом, предполагается, что ионыраспространяются из центра и двигаются прямолинейно.481234(а)(б)1 – ТИУ; 2 – СПД; 3 – датчик; 4 – устройство для перемещения зондов.Рисунок 2.2. (а) - Схема размещения устройства для перемещения зондовотносительно двигателя; (б) - Общий вид устройства для перемещения зондовв вакуумной камере2.1.2. Многосеточный зонд – энергоанализаторДля определения основных пространственных и энергетических характеристик струйСПД в НИИ ПМЭ МАИ используется многосеточный зонд – энергоанализатор, схемакоторого показан на рисунке 2.3.

Энергоанализатор имеет простую конструкцию, небольшиеразмеры и позволяет получать энергетические характеристики ионных потоков, а такжеизмерить ионный ток в струе двигателя.1 2345A+G1G2+678Рисунок 2.3 – Принципиальная схема многосеточного зонда –энергоанализатораПринципиальная схема такого энергоанализатора изображена на рисунке 2.3. Он имеетнесколько, последовательно расположенных перед коллектором 5 сеток, включаяэкранирующую сетку 2, сетку 3 для разделения ионов и электронов, а также анализирующую49сетку 4. Поэтому прозрачность анализатора от входа до коллектора существенно зависит отконструктивных параметров сеток.

Сетки размещаются в корпусе 1, а потенциалы на нихзадаются обычно стабилизированными источниками питания (G1, G2 на рисунке 2.3).Измерение тока коллектора осуществляется либо высококлассным микроамперметром 8,либо регистрируется с помощью измерительного осциллографа [78].Принцип работы описанного энергоанализатора основан на электростатическомразделенииионовиэлектроновплазмыотсечнойсеткой3споследующимэлектростатическим торможением ионов анализирующей сеткой 4.

Отсечная сетка 3находится под отрицательным потенциалом (30-40В) относительно плавающего потенциалазащитной сетки 2, соответствующего потенциалу запирания электронной компоненты.Необходимо также учесть, что отверстия в сетке 3 не должны превышать дебаевский радиусэкранирования в месте измерения. В режиме измерения плотности ионного тока наанализирующую сетку 4 подается постоянный положительный потенциал, а в режимеизмерения энергетического спектра ионов – сканирующий (пилообразный) положительныйпотенциал.

Потенциалзадерживает ионы, энергия направленного движения которыхне превышает текущего значения. Ионы с энергией вышесобираются коллектороми регистрируются схемой регистрации тока коллектора. В данном случае в качестверегистраторазондовыххарактеристикиспользуетсячетырехканальныйцифровойзапоминающий осциллограф Tektronix TPS2024.При проведении исследований с энергоанализатором необходимо учитывать ряднедостатков.

Во-первых, из-за наличия сеток существенно уменьшается регистрируемыйионный ток, который измерялся бы при отсутствии сеток. Отношение измеренного ионноготока к реальному называется прозрачностью энергоанализатора. Для определенияпрозрачности зонда необходимо проводить его калибровку. Чаще всего для этогоиспользуетсяэлектростатическийзондсохраннымкольцом,расположенныйвнепосредственной близости от энергоанализатора. Измерения производятся одновременнодвумя зондами в ядре струи, где доминируют ускоренные ионы и результаты измерений сотсечкой медленных ионов и без их отсечки [60]. Другим недостатком энергоанализатораявляется то, что он не различает однозарядные и многозарядные ионы.

Информация омногозарядных ионах очень важна, т.к. они имеют существенно большую энергию посравнению с однозарядными ионами. Так, например, в [79] установлено, что для двигателяСПД-100 в основном ионном потоке при углах ~100 ускоренные многозарядные ионыдоминируют над однозарядными. Следует также отметить, что в случае высокогоостаточного давления в вакуумной камере или низкой прозрачности зонда возможнаситуация, когда внутри энергоанализатора существенно возрастает остаточное давление, что50может привести к существенной интенсификации процесса перезарядки и в результатепривести к занижению величины энергии ионов.Однако необходимо отметить, что энергоанализатор дает правильное значение среднейэнергии ионов, отнесенной к единице заряда.

Так, например, если в струе имеются толькооднозарядные и двухзарядные ионы, ускоренные, соответственно, разностями потенциалови, то средняя энергия иона на единицу заряда:(2.1)Таким образом, нетрудно убедиться в том, что такое же среднее значение энергииионов на один заряд получается, если рассматривать энергию двухзарядного иона какэнергию, переносимую двумя отдельными зарядами, относительная доля которых, очевидно,равна[74]. Следовательно, если энергоанализатором измеряется плотность ионного токаи среднее значение энергии ионов, то правильно определяется плотность потока энергии,переносимая ионами независимо от того, имеются в этом потоке многозарядные ионы илинет.

Сказанное служит дополнительным обоснованием возможности использованияэлектростатического энергоанализатора для контроля параметров струй СПД.2.1.3. Методика определения параметров ионного потока сиспользованием многосеточного зонда – энергоанализатораС помощью многосеточного зонда – энергоанализатора можно определить следующиехарактеристики струи СПД: пространственное распределение плотности ионного тока, атакже энергетическое распределение ионов. Для измерения плотности тока ускоренныхионов на анализирующую сетку подается потенциал, достаточный для отсечки медленныхионов, которые всегда существуют в струе СПД вследствие перезарядки ускоренных ионовна нейтральных атомах. Побочный ионный ток так называемых «плазменных» ионов,попадающихвэнергоанализатор,возникаетвследствиетого,чтопотенциалэнергоанализатора смещен в отрицательную сторону относительно потенциала плазмы.