Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 12

когда на магнитном экране подавалосьнекоторое смещение потенциала относительно анода (рисунок 2.6).И1И2RAU1AI2IdU2VVКатод2Катод1AI1АнодРисунок 2.6 – Схема питания двухступенчатого разряда в СПД-100ПСледует отметить, что в случае использования промежуточного электрода - магнитногоэкрана в качестве «катода» первой ступени он не выполняет функции катода в известномпонимании этого названия, так как эмиссия с его поверхности затруднена из-за низкойтемпературы.

При небольших отрицательных смещениях потенциала относительно анода онработает как второй анод, т.е. ток Id разряда в этом случае делится между промежуточнымэлектродом и анодом. При этом промежуточный электрод перераспределяет потокиэлектронов между ним и анодом.При значительном отрицательном смещении промежуточный электрод начинаетработать аналогично зонду с отрицательным смещением относительно плазмы и влияет навеличину продольного электронного ток, попадающего к аноду из-за уменьшения57взаимодействия электронов с ним.

Таким образом, промежуточный электрод в обоихслучаях исполняет роль управляющего электрода.Суммарные затраты мощности в разряде при потенциале экрана, превышающемпотенциал плазмы могут быть определены по соотношению:(2.4)гдеПри потенциале экрана, меньшем потенциала плазмы:(2.5)гдеПараметрические испытания модели СПД-100П2 с питанием разряда по приведеннойсхеме были проведены в диапазоне разрядных напряжений (300-1000)В и при расходахрабочего газа – ксенона 2,0мг/с, 2,25мг/с и 2,5мг/с с тем, чтобы оценить возможности этоймодели на режимах с повышенным удельным импульсом тяги при умеренных (не более2,5кВт) суммарных мощностях потребляемых двигателем.Напряжения на первой ступени составляли 0, 50В, 100В и 150В.

Следует отметить, чтонулевое напряжение на первой ступени реально соответствует тому, чтоанод-газораспределитель и экран образуют единый анод, а схема питания вырождается водноступенчатую.Процедура определения интегральных параметров состояла в следующем. Приустановленном заранее расходе рабочего газа в ускорительном канале и некоторыхначальных значениях токов в катушках намагничивания зажигался разряд повышениемнапряжения на второй ступени.

Затем устанавливались требуемые значения напряжения напервой и второй ступенях и оптимизировались токи в катушках намагничивания дляполучения минимума разрядного тока во второй ступени. При установлении всехпараметров двигателя они фиксировались, и изменялось напряжение на второй ступени. Приновом значении напряжения на второй ступени определялись оптимальные токинамагничивания и все соответствующие параметры двигателя. После этого изменялосьзначение напряжения на первой ступени, и снимались вольтамперные и соответствующиетяговые характеристики при новом значении напряжения на первой ступени. В результатеполучались характеристики модели двигателя при разных расходах рабочего газа черезускорительный канал и разных значениях напряжения на первой ступени, которыеприведены на рисунках 2.7(а) – (г).Вольтамперные характеристики второй ступени, как и при работе в одноступенчатомрежиме, являются слабо растущими (см.

рисунки 2.7(а)-2.7(б)). При этом при повышенныхнапряжениях и расходах рабочего газа ток в первой ступени оказывается очень близким к58разрядному току (см. рисунок 2.7(а)), а ток в цепи магнитного экрана оказываетсяминимальным (см. рисунок 2.7(б)). Это свидетельствует о том, что оба источниканапряжения прокачивают близкий поток электронов и работают на ускорение ионов.

В то жевремя при напряжении на второй ступени 400В, а также при напряжениях (700-800В) вслучае минимального расхода 2мг/с ток в первой ступени заметно меньше тока во второйступени, а ток на экран значителен. Последнее означает, что потенциал экрана на этихрежимах был выше потенциала плавания в плазме прианодной области разряда.(а)(б)(в)(г)Рисунок 2.7. (а) - Зависимость тока в первой ступени от напряженияна второй ступени; (б) - Зависимость тока через экран от напряжения на второй ступени;(в) - Зависимость «анодного» тягового КПД, рассчитанного по суммарной мощностиразрядов, от напряжения на второй ступени; (г) - Зависимость «анодного» удельногоимпульса тяги от напряжения на второй ступениКак видно, модель СПД-100П2 работает по двухступенчатой схеме достаточноэффективно, но при расходах рабочего газа более 2,3мг/с она не обеспечивает заметногопреимущества перед одноступенчатой схемой с плавающим экраном.

Поскольку сприкладной точки зрения наибольший интерес представляют режимы работы с малымирасходами и повышенными напряжениями, обеспечивающие высокие значения удельногоимпульсатяги,нижеприведеносравнениехарактеристикодноступенчатогои59двухступенчатого режимов работы для расходов менее 2,3 мг/с (рисунки 2.8 (а)–(г)), приэтом в качестве параметра используется «суммарное» напряжение (сумма напряжений напервой и второй ступенях).(а)(б)(в)(г)Рисунок 2.8.

(а) - Зависимость тока во второй ступени от суммарного напряжения; (б) Зависимость суммарной мощности разряда от суммарного напряжения; (в) Зависимость «анодного» тягового КПД от суммарного напряжения; (г) - Зависимость«анодного» удельного импульса тяги от суммарного напряженияКаквидноизприведенныхданных,принизкихразрядныхнапряженияходноступенчатая схема с плавающим магнитным экраном позволяет получить более высокиезначения тяговой эффективности, а при высоких разрядных напряжениях тяговый КПДдвухступенчатой схемы выше тягового КПД одноступенчатой схемы даже при меньшихрасходах. Это обусловлено тем, что при работе по двухступенчатой схеме при сопоставимыхрасходах газа меньше разрядный ток и, соответственно, мощность разряда. Поэтому прификсированной мощности разряда по двухступенчатой схеме можно работать при болеевысоких разрядных напряжениях и получить более высокий удельный импульс тяги.60Переходя к обсуждению полученных результатов, следует отметить, что согласнополученным данным, при низких разрядных напряжениях и небольших смещенияхпотенциала магнитного экрана относительно анода, этот потенциал оказывается вышепотенциала «плавания» в плазме прианодной зоны.

Поэтому он собирает электроны, убираяих из разряда и снижая эффективность ионизации потока рабочего газа в ускорительномканале и тяговую эффективность. При высоких разрядных напряжениях и большихсмещениях потенциала магнитного экрана этот потенциал оказывается ниже потенциала«плавания» изолированных поверхностей в плазме прианодной области. Поэтому магнитныйэкран начинает собирать больше ионов из этой плазмы. Но, из-за выхода с экранаэлектронов за счет вторичной ионно-электронной эмиссии разряд переходит в режимреальногодвухступенчатогоразряда.Ивэтомрежимееговкладоказываетсяположительным по сравнению с режимом «плавания» магнитного экрана.

Следовательно,двухступенчатая схема имеет право на жизнь и может быть рекомендована к дальнейшейразработке.В целом проведенные исследования показали, что при исходной цилиндрическойгеометрии стенок выходных колец могут быть получены тяговые характеристики моделиСПД-100П2, не уступающие характеристикам моделей традиционной схемы, а при переходек двухступенчатой схеме - превосходящие характеристики модели традиционной схемы нарежимах с высокими удельными импульсами тяги и малыми расходами рабочего газа.2.3. Исследование стабильности выходных параметров моделейтипа СПД-100П во времени2.3.1.

Предварительные испытания модели СПД-100П2Эрозионные испытания моделей СПД-100П были начаты с вариантом СПД-100П2.Была проведена 50-часовая наработка на режиме работы с разрядным напряжением 850В ирасходом порядка 2,15мг/с, обеспечивавшими разрядную мощность порядка 2кВт. При этомчерез каждые 1-2 часа должно было осуществляться кратковременное выключение двигателядля контроля нуля и коррекции промежуточных значений тяги, что было предусмотрено впрограмме обработки результатов измерений (рисунок 2.9 (а) – (г)).По окончании испытаний был осуществлен визуальный осмотр, фотографированиенаиболее интересных элементов конструкции и измерение профилей стенок для оценкискорости их износа.Полученные данные свидетельствуют о том, что можно выделить два периода, вовремя которых характер работы двигателя существенно отличается, а именно:611.Период стабильной работы модели, который составил 15-20 часов, когдафлуктуации его параметров незначительны, а тенденции их изменения аналогичнытенденциям изменения параметров всех СПД.

В этот период разрядный ток уменьшается, афлуктуации значений разрядного тока незначительны. При этом тяга, тяговый КПД иудельныйимпульстягинезначительноуменьшаются,иихфлуктуациитакженезначительны.2.Значительные изменения всех параметров начались примерно после 20 часов, арезкие изменения параметров - после 30 часов, когда флуктуации разрядного токасоставляли до ±13%, а колебания тяги - до ±3мН или до ±4,5%. Соответственно, заметноизменялись во времени и удельные характеристики. Визуальные наблюдения показали, чтоуже в начале второго периода появились периодические выбросы светящихся частиц изканала модели, и примерно в этот момент времени началось постепенное нарастаниеразрядного тока.

Затем наступило некоторое «затишье» (примерно после 30 часов работы).(а)(б)(в)(г)Рисунок 2.9 (а) – Изменение разрядного тока модели СПД-100П в процессе контрольнойнаработки; (б) – Изменение тяги модели СПД-100П в процессе контрольной наработки;(в) – Изменение «анодного» тягового КПД модели СПД-100П в процессе контрольнойнаработки; (г) – Изменение «анодного» удельного импульса тяги модели СПД-100П впроцессе контрольной наработки62В этот же период наблюдалось появление свечения части пристеночной области вдольвнутренней поверхности наружной стенки в секторе между «6 и 9 часами», котороепостепенно перемещалось против часовой стрелки. К концу испытаний, т.е. после 50 часовработы область свечения сместилась таким образом, что ее середина оказалась в районе 6часовой отметки.

При этом тяга и удельный импульс тяги оставались примерно на одномуровне, а мощность и тяговый КПД изменялись примерно в тех же пределах, что иразрядный ток.В результате осмотра двигателя после его испытаний было обнаружено скоплениепорошкообразных частиц осаждающегося на внутренние поверхности разрядной камеры(рисунок 2.10(а)) вещества между наружным торцом экрана и выходным кольцом. При этомвидно, что в отдельных местах высота упомянутых скоплений такова, что верхние частивыступают внутрь канала за пределы контура, ограниченного внутренней поверхностьюнаружного выходного кольца разрядной камеры. При этом важно отметить, что этископления находились не только в нижней части разрядной камеры, но и практически повсей окружности рассматриваемой части разрядной камеры.