Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 18

Одним из таких параметров является продольнаяпротяженность слоя ионизации, которая в соответствии с соотношением (3.3) и (3.4) припрочих равных условиях определяется плотностью потока рабочего вещества и уровнемконцентрации плазмы в ускорительном канале. Поэтому при модернизации модели СПД100П была решено уменьшить ширину ускорительного канала с тем, чтобы повыситьплотность плазмы.Для реализации принятых решений проводилось моделирование магнитного поля длямодели СПД-100П при различных положениях магнитного экрана относительно полюсовмагнитной системы.

В результате было найдено такое положение торцов магнитного экрана,при котором удается получить магнитное поле, удовлетворяющее приведенным вышетребованиям (рисунок 3.1(б)). В частности, была получена более высокая скоростьнарастания магнитной индукции к срезу ускорительного канала, который традиционнопредполагалось располагать в области сечения с максимальным значением индукции насрединной поверхности ускорительного канала.

Это создавало предпосылки для суженияСИУ. Кроме того, при указанном положении торцов магнитного экрана и выбранномсоотношении размеров всех элементов магнитной системы удалось получить выдвижениемаксимума индукции магнитного поля на 7-8 мм от плоскости наружного полюса.89(а)(б)Рисунок 3.1 (а) – Модернизированная модель двигателя типа СПД-100ПМ; (б) - Картинасиловых линий магнитного поля и распределение радиальной компоненты индукциимагнитного поля вдоль срединной поверхности ускорительного каналаСледует также добавить, что, как видно из рисунка 3.1(б), можно получить такуюконфигурацию силовых линий магнитного поля, при которой российские и американскиеспециалисты надеются получить двигатель с очень малой скоростью износа стенокразрядной камеры за счет выполнения профилей стенок, близкими к конфигурации силовыхлиний магнитного поля на границе СИУ со стороны анода [50].

Но, поскольку вамериканских вариантах конструкции моделей двигателя возникла новая проблема - износполюсов магнитной системы [90, 91], стратегия разработки модели СПД-100ПМ сводилась ктому, чтобы модель значительное время работала с такой конфигурацией стенок разряднойкамеры, при которой достаточно большое время стенки разрядной камеры защищали быполюса, как это реализуется в современных СПД. Больше того, представлялось возможнымза счет максимального выдвижения области с максимальными значениями индукции и,соответственно, СИУ за плоскость полюсов обеспечивать защиту полюсов и при предельнойконфигурации стенок, соответствующей условиям магнитной защиты стенок.С учетом изложенного была изготовлена модернизированная лабораторная модельСПД-100ПМ (рисунок 3.1(а)).Модернизация включала в себя:- изготовление новых элементов разрядной камеры, а также элементов крепления ификсации ее продольного положения, позволивших изменять продольное положение всейразрядной камеры с магнитным экраном за счет смены колец 4 на рисунке 3.1(а);90- изготовление сменных выходных колец (2 и 3 на рисунке 3.1(а)) разрядной камеры,позволивших изменить ширину ускорительного канала, которая с учетом полученнойтопологии магнитного поля и опыта работы с моделью СПД-85П была выбрана равной11мм.Приэтомвыходныекольцабылиизготовленывместескозырькамидляпредотвращения загрязнения поверхности магнитного экрана продуктами распылениявыходных кромок.3.1.2.

Этапы и результаты исследования характеристик модели СПД100ПМИсследования характеристик модели СПД-100ПМ включали в себя следующие этапы:1. Определение вольтамперных характеристик модели при расходах ксенона черезускорительный канал 2,1 мг/с, а также 2,6-2,8 мг/с, 3,0-3,1 мг/с и 3,2 мг/с, обеспечивавшихразрядную мощность соответственно 2,0-2,1 кВт, 2,3-2,4 кВт и 2,5-2,6кВт при разрядномнапряжении 800В.2. Контрольная наработка не менее 15 часов с целью определения стабильностихарактеристик и определение магнитных характеристик на режимах работы с разряднымнапряжением 800В для анализа устойчивости рабочих процессов.Контрольная наработка осуществлялась циклами при расходах ксенона черезускорительный канал, обеспечивавших разрядную мощность соответственно 2,0 - 2,1 кВт и2,3-2,4 кВт и 2,5-2,6 кВт при разрядном напряжении 800В.

Это дало возможность оценитьстабильность параметров двигателя на разных режимах при ограниченной общейдлительности контрольной наработки. После контрольной наработки были проведеныизмерения профилей стенок разрядной камеры и протяженности зон эрозии на них.Механическое уширение выходной части разрядной камеры после упомянутой(первой) контрольной наработки и определение ВАХ модели с уширенной (расточенной –РК) разрядной камерой, вторая контрольная наработка длительностью около 30 часов сопределением магнитной характеристики модели с уширенной разрядной камерой иопределением характеристик струи на одном из приведенных ранее режимов работы.Профили стенок после расточки выходной части разрядной камеры и после второйконтрольной наработки представлены на рисунках 3.2 (а) – (б).91(а)(б)Рисунок 3.2 – Профили стенок выходной части разрядной камеры модели СПД100ПМ после двух контрольных наработок: (а) – наружная стенка; (б) – внутренняястенкаУширение было осуществлено на выходных кольцах разрядной камеры в местах ихотчетливого износа на угол 45 градусов относительно продольного направления на длине5мм на наружном кольце и на длине 7мм на внутреннем кольце.

Такой угол уширения былвыбран с учетом того, что предыдущие испытания модели СПД-100Д и СПД-85П показали,что при таком угле уширения наблюдалось значительное его влияние на параметрыдвигателя.Вольтамперные и соответствующие им тяговые характеристики модели с исходной (нарисунках 3.3, 3.5 и 3.6 «новой» - НК) разрядной камерой приведены на рисунках 3.3 (а) – (г).Они свидетельствуют о том, что при исходной геометрии разрядной камеры зависимостивсех параметров двигателя имеют традиционный вид за исключением того, что ввысоковольтнойобластиразрядныйтокстабилизируется(см.рисунок3.3(а)).Положительным следствием стабилизации тока в области повышенных напряжений являетсято, что не наблюдается обычного для большинства моделей СПД падения тягового КПД при92разрядных напряжениях выше 800В, и его значения, рассчитанные с учетом давления ввакуумной камере при разрядном напряжении 800В, составляют 0,55-0,58, т.е.

близки кхарактеристикам модели СПД-100П с исходной геометрией разрядной камеры (см. рисунок3.3(г)). У модели с расточенной разрядной камерой в области 800В появилась точка снебольшим минимумом разрядного тока, что определяется, по-видимому, тем, чтооптимизация модели производилась для работы именно при этом напряжении.(а)(б)(в)(г)Рисунок 3.3 (а) – Вольтамперные характеристики модели СПД-100ПМ с исходной (НК) ирасточенной (РК) разрядной камерой; (б) - Зависимость тяги модели СПД-100ПМ отразрядного напряжения; (в) – Зависимость «анодного» удельного импульса тяги моделиСПД-100ПМ от разрядного напряжения; (г) - Зависимость «анодного» тягового КПДмодели СПД-100ПМ от разрядного напряжения.

«Анодный» удельный импульс тяги и«анодный» тяговый КПД приведены с учетом давления в вакуумной камере.Приведенные данные свидетельствуют о том, что, как и для других моделей приуширении ускорительного канала, получено снижение удельного импульса тяги и тяговогоКПД, однако это снижение значительно меньше. Так, при разрядном напряжении 800В иразрядной мощности 2,1кВт получены значения «анодного» удельного импульса тяги,рассчитанного с учетом давления в вакуумной камере, не менее 29км/с (см. рисунок 3.3(в)).Это при вполне достижимом расходе ксенона через катод 0,15мг/с дает значения полногоудельного импульса тяги не менее 27,5км/с.

При том же разрядном напряжении 800В и93разрядной мощности 2,4кВт значения «анодного» удельного импульса тяги составили неменее 31км/с, что дает при расходе ксенона через анод 2,7мг/с и через катод 0,2мг/с значениеполного удельного импульса тяги не менее 28,8км/с.Таким образом, как и ранее, было получено, что модель СПД-100ПМ работает сзаметно более высокой тяговой эффективностью при повышенной плотности расхода вускорительном канале, реализующейся при мощностях 2,4-2,5кВт. При этом важно то, чтопринятыми решениями удалось снизить влияние уширения разрядной камеры.

Для проверкистабильности полученных результатов, как уже отмечалось, были проведены контрольныенаработки модели СПД-100ПМ.Для дальнейшего анализа полученных данных представляется важным рассмотреть ихарактер эрозии выходных участков стенок разрядной камеры в процессе контрольныхнаработок. Полученные данные (см. рисунок 3.2) свидетельствуют о том, что в результатеуширения разрядной камеры произошло смещение границы зоны износа в направлениианода на (2-3) мм, обусловленное уменьшением концентрации плазмы вследствие уширения.С учетом того, что было осуществлено значительное уширение канала, можно ожидать, чтопо мере дальнейшей работы модели границы износа со стороны анода дальше сдвигаться небудут.3.1.3.

Результаты определения изменения параметров модели СПД100ПМ в процессе контрольных наработокПервая контрольная наработка модели СПД-100ПМ была осуществлена при работемодели циклами с мощностями разряда 2.0-2,1кВт, 2,3-2,4 кВт и ~2,5-2,6 кВт при разрядномнапряжении 800-810В. После механического уширения ускорительного канала аналогичнымобразом была осуществлена вторая контрольная наработка. Изменение параметров двигателяв процессе этих наработок приведено на рисунках 3.4(а)–(г). При их рассмотрении следуетиметь в виду, что в процессе у контрольных наработок модель работала циклами, когда онаотключалась и включалась вновь для контроля «нуля» тягомера с зажиганием разряда принапряжении 300В.Как видно из приведенных данных, стабильность параметров двигателя в процессеконтрольной наработки модели СПД-100ПМ находилась на типичном для СПД уровне,когда при неизменных расходах через двигатель на установившихся режимах работыизменения разрядного тока в отсутствие его стабилизации составляют ±3%, изменения тягинаходятся в пределах ±3%, изменения тягового КПД находятся в пределах ±5%.

При этомизменения удельного импульса тяги находятся в пределах ±3%.94Как уже отмечалось, что в процессе контрольных наработок осуществлялосьопределение магнитных характеристик модели. Это несколько увеличило разброспараметров, зарегистрированных автоматизированной системой регистрации параметровмодели, представленных выше.(а)(б)(в)(г)Рисунок 3.4 (а) - Изменение расхода ксенона через анод в процессе контрольныхнаработок модели СПД-100ПМ; (б) - Изменение разрядного тока модели СПД-100ПМ отвремени; (в) - Изменение «анодного» удельного импульса тяги модели СПД-100ПМ отвремени; (г) - Изменение «анодного» тягового КПД модели СПД-100ПМ от времениДля иллюстрации влияния уширения канала в таблице 3.1 приведены средние значенияпараметров, полученных при исходной и уширенной геометриях ускорительного канала, дляодного из основных режимов работы модели с разрядной мощностью 2,1±0,1кВт.Таблица 3.1 - Средние значения параметров модели СПД-100ПМ на сопоставимыхрежимах при исходной (1) и уширенной (2) геометриях ускорительного каналаГеометрияUd, Bṁa, мг/сId, ANd, ВтF, мНIуд*, м/сηt18002,772,62,181,3293000,5528002,82,72,1679,8290000,52*Средние значения «анодных» параметров, рассчитанные с учетом обратного потокаиз камеры.Таким образом, при уширении разрядной камеры значения тяги, удельного импульсатяги уменьшились, но незначительно.