Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 19

Этот результат является обнадеживающим, так как до95этого в большинстве моделей СПД с уширением ускорительного канала происходилозначительное уменьшение тяги и удельного импульса тяги.3.1.4. Результаты определения магнитных характеристик модели СПД100ПМВыше уже отмечалось, что в процессе контрольных наработок проводилосьопределение магнитных характеристик модели СПД-100ПМ и определение характеристик ееструи. При определении магнитной характеристики осуществлялось пропорциональноеизменение токов в катушках намагничивания с учетом того, что на оптимальных режимахработы ток в наружных катушках намагничивания составлял 0,8 от тока во внутреннейкатушке.

Поэтому изменение токов осуществлялось с сохранением отмеченной пропорции.На рисунках 3.5(а)–(е) для удобства сравнения приведены результаты, полученные какпри исходной, так и при уширенной геометрии ускорительного канала.Следует отметить, что представляет интерес и разность потенциалов между анодом имагнитным экраном (рисунок 3.5(е)), которая косвенно характеризует изменение параметровплазмы в прианодной области, поскольку в данном случае магнитный экран «плавал» вприанодной плазме. Как видно, значения названной разности потенциалов существенноразличается для цилиндрического и уширенного канала.

Изменение этой разностипотенциалов характеризует либо изменение температуры электронов, либо изменениепотенциала прианодной плазмы, либо изменение прианодного скачка потенциала. Болееопределенные выводы можно будет сделать после проведения соответствующих измерений.В целом, результаты определения «магнитных» характеристик свидетельствуют о том,что полученные зависимости являются достаточно плавными. Они мало изменяются призначительномизмененииконфигурациивыходнойчастиразряднойкамерыисвидетельствуют о сохранении достаточно большого запаса по диапазону возможногоизменения токов в катушках. Это является положительным эффектом введенных изменений,так как, например, при сопоставимом изменении геометрии разрядной камеры в моделиСПД-85П изменение характера этих зависимостей было значительным.

Таким образом,получено еще одно свидетельство положительных изменений в работе модели СПД-100ПМвследствие проведенной ее модернизации.96(а)(б)(в)(г)(е)Рисунок 3.5 (а) - Зависимость разрядного тока модели СПД-100ПМ с исходными ирасточенными каналами от тока во внутренней катушке намагничивания припропорциональном изменении тока в наружных катушках; (б) - Зависимость тягимодели СПД-100ПМ (в) - Зависимость «анодного» удельного импульса тяги моделиСПД-100ПМ; (г) - Зависимость «анодного» тягового КПД в модели СПД-100ПМ; (е) –Зависимость потенциала анод – магнитный экран в модели СПД-100ПМ973.1.5 Результаты измерения расходимости струи модели СПД-100ПМ нарежимах работы с высоким удельным импульсом тягиВ процессе определения магнитных характеристик и контрольной наработки моделиСПД-100ПМ с уширенным каналом производилось определение полуугла β0,95 расходимостиструи для 95% ускоренных ионов с использованием методики, разработанной в НИИ ПМЭМАИ (см раздел 2.1.3).

Измерения проводились с помощью электростатическогоэнергоанализатора, перемещаемого в плоскости, содержащей ось двигателя, вдольокружности с радиусом 0,7м и центром в точке пересечения оси двигателя с выходной егоплоскостью. Полученные результаты для магнитных характеристик представлены в таблице3.2 и на рисунке 3.6.Из приведенных данных видно, что на оптимальных режимах работы с токами вкатушках намагничивания Im1=4,5А и Im2=3.6А и более расходимость струи находится науровне сопоставимом для штатных СПД. Характер изменения распределений плотности токаускоренных ионов можно оценить из данных, представленных на рисунке 3.6.Таблица 3.2 - Результаты определения полуугла расходимости струи при различныхтоках в катушках намагничивания для режима работы с разрядным напряжением 800В ирасходом ксенона через анод 2,8мг/сUd, BId, AIm1, AIm2, A0.95, град8002,813,02,450,988002,843,52,850,938002,784,03,252,198002,734,53,648,208002,695,04,045,198002,645,54,448,718002,636,04,848,88Рисунок 3.6 – Зависимость нормированной величины плотности ионного тока намногосеточный зонд модели СПД-140ПМ от угла относительно оси двигателя приразличных токах в катушках намагничивания98Измерение расходимости струи модели СПД-100ПМ проводилось и в ходеконтрольной наработки.

Характеристики двигателя, полученные при проведении этойнаработки, представлены в разделе 3.1.3. Токи в катушках намагничивания Im1=4,6A и Im2=4,5A поддерживались постоянными в течение всей наработки. Результаты для режимовработы с мощностями разряда 2,1кВт и 2,5кВт попеременно показаны в таблице 3.3.Из приведенных выше данных следует, что вторую контрольную наработку можноразделить на два этапа: первый этап – приработка выходного профиля после механическойрасточки выходных колец; второй этап – работа двигателя с профилем выходных колец,получаемымпоследлительнойработыдвигателя.Первыйэтапможносчитатьзакончившимся после 20 часов наработки, поэтому основное внимание следует уделитьрезультатам, полученных после 20 часов. Данные, представленные в таблице 3.3,свидетельствуют о заметной разнице в расходимости струи при работе на разныхмощностях, причем уменьшение расходимости происходит с ростом разрядного тока и,соответственно, мощности разряда.Таблица 3.3 - Результаты определения полуугла расходимости для режимов работы сразрядным напряжением 800В и мощностями разряда 2,1кВт и 2,5кВтUd, BNd, кВтНаработка, часβ0,95, град8002,5847,528002,513,447,888002,117,344,288002,125,247,528002,129,4458002,530,437,268002,534,338,528002,135,545,368002,138,3458002,539,236,188002,142,646,988002,544,540,32Таким образом, выдвижение СИУ к срезу ускорительного канала и уширениеразрядной камеры не повлияло на полуугол расходимости струи, что на данном этаперазработки высоковольтного двигателя является положительным результатом.

Важно такжето, что с увеличением расхода ксенона через ускорительный канал и мощности разрядарасходимость струи заметно уменьшается.В целом полученные данные свидетельствуют о том, что разработанные способыповышения тяговых характеристик СПД на режимах работы с высоким удельнымимпульсом тяги, реализованные при разработке модели СПД-100ПМ, подтвердили своюперспективность.993.2. Параметрические испытания лабораторной модели СПД-140ПМна режимах работы с повышенным удельным импульсом тяги3.2.1. Разработка лабораторной модели СПД-140ПМКак было показано в предыдущем разделе, модель СПД-100ПМ с магнитным экраномвнутри разрядной камеры подтвердила свою перспективность для разработки на ее основедвигателя с удельным импульсом тяги на уровне 30км/с. Однако дальнейшее увеличениеудельного импульса для данного типоразмера двигателя затруднено по причине ограничениямощности уровнем не более 2,0-2,5кВт, ибо требует уменьшения расхода РТ придальнейшем увеличении разрядного напряжения, а это, как было показано в предыдущихразделах, ведет к значительному снижению тяговой эффективности.

Таким образом, дляпродвижения вверх по удельному импульсу тяги в НИИ ПМЭ МАИ было принято решениеразработать модель высоковольтного СПД масштаба СПД-140. За основу для данноймодели, как и в случае СПД-100ПМ, было выбрана схема СПД с магнитным экраном,расположенным внутри разрядной камеры. Кроме того, при проектировании данной моделибыл учтен опыт предшествующих разработок таких, как СПД-85П и СПД-100ПМ.

Вопервых, для обеспечения приемлемого уровня тяговой эффективности было решеноуменьшить ширину разрядной камеры с целью повышения плотности расхода черезускорительный канал по сравнению со стандартным СПД-140, разработанным в ОКБ«Факел». Во-вторых, для обеспечения возможности достаточно большого ресурса модели,как и в модели СПД-100ПМ, было решено максимально сдвинуть СИУ в выходномнаправлении. Для этого необходимо было максимально сдвинуть максимум распределенияиндукции магнитного поля за плоскость полюсов магнитной системы. Этот известныйспособ управления положением СИУ в ускорительном канале [54], уже был использован приразработке двигателей СПД-70, СПД-100, СПД-140 и используется во всех современныхСПД. Он основан на том, что зона ускорения в СПД локализуется в области максимальныхзначений индукции магнитного поля.В результате была разработана и изготовлена лабораторная модель, получившаяобозначение СПД-140ПМ, конструкция которой представлена на рисунке 3.7(а).100Br, TZ, мм(а)(б)1 – анод, 2 – корпус разрядной камеры, 3,4- выходные кольца разрядной камеры,5,6 – полюса магнитной системы, 7 – магнитный экран, 8 – регулировочные кольца,9 - стакан.Рисунок 3.7 – Конструкция модели СПД-140ПМ; (б) - Результаты моделированиямагнитного поля в модели СПД-140ПМ при максимально выдвинутой разрядной камереТаким образом, основные отличительные особенности данной модели заключаются вследующем:- выходная диэлектрическая часть ускорительного канала выполнена с шириной 16мм;- магнитный экран выполнен из пермендюра, и снабжен изолированным электрическимвыводом для возможности организации работы модели с различными электрическимисвязями пары анод-экран, в том числе, для работы по двухступенчатой схеме питанияразряда.Моделирование магнитного поля показало (рисунок 3.7(б)), что при выбранныхразмерах элементов разрядной камеры и магнитного экрана и при максимально выдвинутомположении разрядной камеры и экрана обеспечивается благоприятная для фокусировкиионов конфигурация силовых линий магнитного поля в выходной части ускорительногоканала.При полученной конфигурации силовых линий магнитного поля можно ожидатьполучения предельно малых скоростей износа при выполнении профилей стенок разряднойкамеры близкими к силовым линиям магнитного поля в прианодной части СИУ, на что101рассчитывают американские специалисты.

В данном же случае представляется болееважным то, что область максимальных значений индукции магнитного поля вынесенадостаточно далеко за плоскость полюсов магнитной системы, т.е. обеспечено достаточнобольшое смещение СИУ в выходном направлении и имеется значительное пространство дляувеличения толщины стенок разрядной камеры для защиты полюсов магнитной системы. Ксказанному следует добавить, что выдвижение распределения индукции магнитного поля ввыходном направлении увеличивает магнитный поток через магнитный экран, и ценой,заплаченной за получение приведенного магнитного поля является некоторое увеличениесечений элементов магнитопровода и увеличение токов в катушках намагничивания, т.е.увеличение массы магнитной системы и затрат на создание магнитного поля.3.2.2.

Результаты исследования характеристик модели СПД-140ПМВ процессе исследования изучались характеристики модели при ее работе как водноступенчатом, так и в двухступенчатом варианте, когда между магнитным экраном ианодом прикладывалось дополнительное смещение потенциала.

Величина названногосмещения потенциала была выбрана равной 70В, поскольку в результате проведенных ранееисследований (см. раздел 2.2.2) было показано, что отрицательные смещения потенциаламагнитного экрана относительно анода (50 – 100) В уже дают определенный эффект.Дальнейшее увеличение смещения может привести к заметной эрозии поверхностимагнитного экрана при длительной работе.

При выбранном же смещении потенциалаожидалась мягкая очистка поверхности экрана от частиц, распыляемых с выходных колецразрядной камеры. Схема питания разряда и формулы для расчета потребляемой мощностиполностью аналогичны тем, что использовались при работе по двухступенчатой схемемодели СПД-100П (рисунок 2.6). ВАХ при работе по одноступенчатой схеме определялисьпри различных способах соединения анода с магнитным экраном: первый способ –магнитный экран оторван от анода («плавает»); второй – экран соединен с анодом черезрезистор в 22кОм; третий – экран напрямую соединен с анодом, образуя магнитный анод.Процедура определения ВАХ модели СПД-140ПМ описана в разделе 2.2.2.