Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 21

Данные двухступенчатой схемы приведены для максимальныхзначений напряжениявторой ступенипри мощностиразрядаСПД-140ПМпорядка 5кВтявляютсяПолученныеданные о полууглерасходимостиструи моделивесьма обнадеживающими, так как они находятся на традиционном для двигателей типаСПД уровне. Так, для большинства режимов полуугол β0,95 составляет величину порядка 450,а для некоторых режимов может быть меньше 400. Таким образом, на основании данногорезультата можно сделать вывод о перспективности использованных при разработкемоделей СПД-100ПМ и СПД-140ПМ решений.3.3. Определение потенциала изолированного магнитного экранав момент зажигания разрядаКак отмечалось в главе 2, при испытаниях модели СПД-100П появились затруднения сзажиганием основного разряда при изолированном «плавающем» магнитном экране.

Даннаяпроблема проявилась и в ходе исследования моделей СПД-85П и СПД-140ПМ. Описать109возникающую трудность можно следующим образом: в процессе зажигания разряда, т.е.после подачи расхода рабочего газа через анодный блок и приложения разности потенциаловмежду анодом и катодом в 300В инициирование разряда должно производиться послекратковременной подачи напряжения между катодом и поджигающим электродом. В моментподачи поджигающего напряжения между катодом и поджигающим электродом образуетсякатодная плазма, из которой вытягиваются электроны для зажигания основного разряда. Вэкспериментах с моделями СПД-85П, СПД-100ПМ и СПД-140ПМ с изолированныммагнитным экраном после приложения разрядного напряжения между катодом и анодом в300В и при подаче напряжения на поджигающий электрод зажигания разряда либо непроисходило, либо оно происходило после многократных попыток подачи напряжения наподжигающий электрод и в случайным образом.

Ситуация еще больше усугубляется припопытке запуска двигателя, разогретого предыдущей работой. В таком случае приходитсяувеличивать приложенное напряжение между анодом и катодом до величины в 600В (взависимости от расхода РТ через ускорительный канал) либо значительно уменьшать токи вкатушках намагничивания вплоть до их полного отключения.Основнойпричинойданнойпроблемыможетявлятьсянизкийпотенциализолированного магнитного экрана относительно катода в плазме, созданной в режимезажигания разряда. Поэтому был проведен эксперимент по измерению упомянутогопотенциала в момент запуска двигателя (рисунок 3.11).Рисунок 3.11 – Измерение потенциала магнитный экран-катод модели СПД140ПМ в процессе запуска двигателя с зажиганием основного разрядаТаким образом, из проведенного эксперимента ясно, что при работе катода в режимезажигания разряда потенциал экрана в катодной плазме не превышает величины (5-10)Вотносительно катода (на рисунке 3.11 моменты подачи поджигающего напряжения видныкак отдельно стоящие пики).

Поэтому разность потенциалов между катодом ипространством внутри разрядной камеры оказывается незначительной, что затрудняетпопадание необходимого количества электронов в это пространство и затрудняет зажигание110основного разряда. На рисунке 3.11 в конце виден пик, который является моментомзажигания главного разряда. Зажигание разряда в рассматриваемом случае удалось добитьсятолько за счет значительного уменьшения тока в катушках намагничивания.Также в результате проведенных экспериментов было установлено, что названныетрудности устраняются при соединении магнитного экрана с анодом непосредственно иличерез сопротивление порядка 22кОм, повышающем потенциал магнитного экрана в моментзажигания разряда в двигателе.Заключение к главе 3На основе приведенных в данной главе материалов представляется возможнымзаключить, что мероприятия по части модернизации модели СПД-100П с целью повышениятяговых характеристик двигателя при длительной работе на режимах с высоким удельнымимпульсом тяги дали положительный результат.

Так была разработана модель СПД-100ПМ,которая устойчиво отработала в течение 40 часов с уширенными выходными элементами нарежимах работы с разрядным напряжением Ud=800В и с мощностями разряда 2,1кВт и2,5кВт попеременно с достаточно высокими тяговым КПД и удельным импульсом тяги.Перспективностьотмеченныхрешенийподтвержденатакжеисследованиеммодернизированной модели СПД-140ПМ, показавшей возможность работы данной модели с«анодным» удельным импульсом тяги до 40км/с и с «анодным» тяговым КПД на уровне 0,6.Подтверждено также преимущество двухступенчатой схемы питания разряда для работы нарежимах с высоким удельным импульсом тяги.Установлено, что выдвижение СИУ в направлении среза двигателя, не приводит кросту полуугла расходимости струи двигателя на высоковольтных режимах.Показано, что причиной затруднений зажигания разряда двигателя с изолированныммагнитным экраном является его низкий потенциал в плазме, созданной катодом, которыйработает в режиме поджига разряда.

При работе по одноступенчатой схеме эту проблемуможно устранить с помощью соединения экрана с анодом либо напрямую, либо черездостаточно большое сопротивление. При двухступенчатой схеме проблем с зажиганиемразряда даже при разрядных напряжениях (300-400)В не возникает, поскольку магнитныйэкран находится под потенциалом., близким к анодному.111ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РАДИАЛЬНЫХИОННЫХ ПОТОКОВ В ОКРЕСТНОСТИ ВЫХОДНОЙ ПЛОСКОСТИСПД И ВОЗМОЖНОСТИ ЗАЩИТЫ КАТОДОВ ОТ РАСПЫЛЕНИЯЭТИМИ ПОТОКАМИ4.1. Анализ процессов формирования радиальных потоков ионов вокрестности выходной плоскости СПДКак уже отмечалось в главе 1, характеристики струи двигателя в приосевой областидостаточно хорошо изучены, причем как для серийных двигателей, так и для лабораторных иинженерных моделей, работающих на разных режимах и проходящих стендовую отработку.Вместе с тем ионные потоки, движущиеся преимущественно в радиальном направлении,исследованы недостаточно, хотя их эрозионное воздействие также может быть существенно.Так в первой главе упоминалось об эрозии поджигающих электродов катода последлительной работы на режимах с разрядным напряжением Ud=300B (см.

рисунок 1.19), а сувеличением разрядного напряжения растет и энергия ионов.Поэтому автором было проведено исследование тока и энергии ионов в радиальныхпотоках на различных режимах работы модели двигателя СПД-85П, а также возможностизащиты катода от распыления этими ионами путем их размещения в области, где плотностьпотока должна быть небольшой.В первой главе были приведены также некоторые результаты моделированияпараметров плазмы в струе СПД, проведенные в работе [74]. В частности, в работе [74] былопоказано, что плотности тока ионов в периферийных частях струи вблизи выходнойплоскости двигателя, обусловленные процессом перезарядки ионов на нейтральных атомах,направлены преимущественно по радиусу.Упомянутые результаты свидетельствуют о том, по крайней мере, значительная частьрадиальных потоков ионов формируется ионами перезарядки.

Следует отметить, что этиионы должны иметь небольшую энергию. Согласно оценкам, полученным с использованиемрасчетных значений концентрации плазмы и известных значений температуры электронов,составляющих в струе не больше (3-5) эВ, энергия ионов перезарядки должна составлять неболее (15-20)эВ. Аналогичные результаты были получены при расчетном анализе процессовв струе СПД и в других работах [69, 72].112Экспериментальные исследования параметров ионных потоков в окрестностивыходной плоскости двигателя были проведены на расстояниях (0,5-1,0)м [68, 72, 74].

Этиисследования показали, что при измерениях энергоанализатором в окрестности выходнойплоскости двигателя доминируют ионы с энергиями не выше 50эВ (рисунок 1.16 (б)), хотя вработе [68] при измерениях масс-спектрометром были обнаружены и ионы со среднимиэнергиями в диапазоне 50-200эВ. Таким образом, имеющиеся данные несколькопротиворечат друг другу. Причиной такого противоречия может быть то, что приизмерениях на достаточно больших расстояниях энергоанализатор регистрирует ионы,попадающие в него из всей струи. Поэтому в измеряемом ионном потоке доминируют ионыперезарядки, на фоне которых сложно выделить высокоэнергетичные ионы. Наличие такихионов однозначно подтверждается приводившимися ранее данными о характере эрозиикатодов в двигателе СПД-100.

Такие ионы могут возникать из-за упругого рассеяния ионовиз основного потока на нейтральных атомах [68, 69], а также непосредственно из разряда,которые в окрестности выходной плоскости также должны двигаться практически врадиальном направлении.То, что ионы, приводящие к заметной эрозии поверхностей поджигающих электродов,движутся в окрестности выходной плоскости двигателя по направлениям, близким крадиальным, подтверждается характером следов эрозии названных электродов. Так, после300-часовых испытаний одного из образцов двигателя типа СПД-100 в НИИППЭ МАИ былиобнаружены специфичные следы эрозии поджигающих электродов катодов (рисунок 4.1), аименно: было обнаружено, что зона эрозии имеет достаточно четкие границы.

Одна из этихграниц совпадала с плоскостью среза двигателя.Рисунок 4.1 – Фото следов эрозии поджигающих электродов катодов после 300часовых испытаний модели СПД-100Вторая была близка к траекториям, которые соответствовали бы прямым проведеннымв продольном сечении двигателя, касающимся выходной кромки наружной стенки разрядной113камеры и наружной кромки наружного полюса магнитной системы. Это направлениесоответствовало углам его отклонения от оси двигателя 100-105 градусов (рисунок 4.2).Возникновение границы повышенной эрозии в выходной плоскости двигателя можетбыть объяснено тем, что распыляющийся с внутренней стенки разрядной камеры потокраспыленного вещества попадает на выходные участки поджигающих электродов и,осаждаясь на них, частично защищает их от распыления.

Поскольку значительная частьматериала керамики распыляется в виде нейтральных частиц, то они движутсяпрямолинейно. Поэтому эти частицы не могут попадать в зоны, затененные наружнойстенкой разрядной камеры, и возникает четкая граница раздела между областями, куда этичастицы попадают, и областями, куда они попасть не могут. Соответственно возникаетграница между областями на поверхности поджигающих электродов, хотя бы частичнозащищенными осаждающимся на них потоком распыленного с внутренней стенки разряднойкамеры материала и незащищенными областями.Рисунок 4.2 – Схема движения радиальных потоков ионов вокрестности выходной плоскости двигателяЧто касается второй границы, то она свидетельствует о том, что поток ионов,распыляющих поверхности поджигающих электродов катодов действительно движется вквазирадиальном направлении от выходной части области разряда, т.е.