Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 22

представляет собойрадиальный поток (рисунок 4.2).С учетом изложенного представляло интерес провести измерения параметров ионов врадиальном потоке вблизи двигателя, когда вклад ионов перезарядки из струи должен бытьзначительно меньше. Кроме того, для получения дополнительной информации, котораяможет помочь разрешить вопрос о том, какой из вышеназванных механизмов возникновенияионов средней энергии, было решено исследовать зависимость энергии от режима работы114двигателями, в частности, от разрядного напряжения. Действительно, энергия ионов,попадающих в радиальный поток вследствие упругого рассеяния, должна однозначнозависеть от приложенного разрядного напряжения.

И обнаружение такой зависимостипослужило бы одним из дополнительных аргументов в пользу этого механизма.С учетом изложенного автором при участии других сотрудников НИИПМЭ МАИ былопроведено измерение параметров ионов в радиальном потоке, движущемся в окрестностивыходной плоскости двигателя на меньшем расстоянии от двигателя, чем это делалось ранее[92].

Методика проведенных экспериментов описана в следующем разделе.4.2. Методика и результаты исследования параметроврадиальных ионных потоков в непосредственной близости выходнойплоскости СПДИсследование было проведено с помощью экспериментального узла с моделью СПД85П, представленного на рисунках 4.3. Эта модель была оборудована электростатическимизондами, расположенными примерно в окрестности выходной плоскости двигателя. Онибыли смонтированы на диске из дуралюмина, закрепленном на наружном полюсе магнитнойсистемы модели. При этом названные зонды были установлены вдоль окружности сцентром, совпадающим с осью двигателя, и разнесены так, чтобы по результатам измеренийможнобылооценитьазимутальнуюнеравномерностьраспределенияизмеряемыхпараметров (см. рисунок 4.3(б)).(а)(б)Рисунок 4.3 – Схема расположения плоских зондов и энергоанализатораотносительно модели, (а) – Вид сбоку; (б) – Вид спередиКроме упомянутых зондов был установлен также трехсеточный электростатическийэнергоанализатор,позволявшийопределятьэнергетическиехарактеристикиионов,115движущихся в окрестности выходной плоскости модели.

При этом его ось находиласьпримерно в плоскости выходного сечения разрядной камеры двигателя и пересекалась сосью двигателя (см. рисунок 4.3 (а)).Измерения были проведены при двух расходах рабочего газа (ксенона) черезускорительный канал модели (2,1мг/с и 2,5мг/с) и трех разрядных напряжениях (300В, 600В,800В) с тем, чтобы можно было оценить влияние режима работы двигателя на измеряемыепараметры.Методики определения локальных параметров плазмы и энергетического анализаионных потоков изложены во второй главе, а теоретические основы для них представлены вработе [78].Результаты измерений с использованием многосеточного зонда – энергоанализаторапредставлены на рисунках 4.4 (а).(а)(б)Рисунок 4.4 (а) - Типичные кривая задержки (синяя кривая) и функцияраспределения ионов по энергии (красная кривая); (б) - зависимость среднейэнергии ионов в радиальных потоках от режима работы модели двигателяКак видно, в радиальном потоке отчетливо проявились ионы с энергиями (50-200)эВ.

Иналичие ионов с такими энергиями объясняет их эрозионную способность.К сказанному следует добавить, что измерения в данной серии экспериментов былипроведены при использовании в качестве базового потенциала вакуумной камеры, которыйниже потенциала плазмы на величину φpl. Поэтому шкала отсчета для определения энергииионов должна быть смещена в меньшую сторону на величину φpl, т.е. энергия ионов,преодолевших потенциальный барьер Ua может быть определена как(4.1)С учетом изложенного была определена зависимость средней энергии ионов отпараметров, характеризующих режим работы двигателя (рисунок 4.4(б)).116Полученные данные свидетельствуют о том, что средняя энергия ионов в радиальномпотоке, движущемся в окрестности выходной плоскости двигателя, слабо зависит от режимаработы двигателя.К изложенному выше следует добавить, что измерения с помощью энергоанализаторапозволяют определить не только энергетические характеристики потока ионов, но иплотность тока ускоренных ионов, а именно: в качестве таковых можно взять полученныепри определении кривой задержки значения тока при задерживающем потенциале +50В,превышающем потенциал плазмы.

При этом получаются значения плотности тока,сопоставимые с измеренными обычными зондами (см. рисунок 4.5, где приведены значенияплотности тока, измеренные зондом №4, расположенным рядом с энергоанализатором).Это означает, что в местах расположения зондов плотность тока ионов с повышеннымиэнергиями составляют большую часть полного тока ионов из плазмы на зонд.

Больше того,на отдельных режимах работы плотность тока, измеренная энергоанализатором, превосходитизмереннуюзондом.Этоможетбытьобъясненотем,чтовходноеотверстиеэнергоанализатора в проведенных измерениях было больше приемной поверхности зонда ивозрастанием плотности ионного тока по мере уменьшения угла отклонения направленийизмерения от оси двигателя [74].Рисунок 4.5 – Плотности тока, измеренные зондом №4 иэнергоанализаторомИтак, из полученных результатов наибольший интерес представляет то, что средняяэнергия ионов, движущихся в радиальном направлении в окрестности выходной плоскостидвигателя, оказалась достаточно большой. Этот результат объясняет наблюдаемую эрозиюподжигающих электродов катодов.

Также важным является то, что средняя энергия ионовслабо зависит от режима работы двигателя и составляет величину (80-120) эВ. Последнеесвидетельствует о том, что происхождение этих ионов не может быть увязано с упругим117рассеянием ионов на нейтральных атомах, т.к. энергия упруго рассеянных ионов должназависеть от разрядного напряжения, определяющего среднюю энергию ускоренных вразряде ионов. Однако экспериментальные данные свидетельствуют об обратном.Оценки возможной величины тока ионов в радиальном потоке вследствие упругогорассеяния ионов на нейтральных атомах также подтверждают сделанный выше вывод. Длятого чтобы ионы, рассеянные на нейтральных атомах, могли двигаться в радиальномнаправлении в окрестности выходной плоскости, их рассеяние должно произойти нанебольшой длине непосредственно у выхода из двигателя.

Если в качестве расчетнойпринять длину порядка Δ=2см, то вероятность Рр упругого рассеяния ионов на такой длинесоставит величину порядка(4.2)где– длина свободного пробега ионов в среде нейтральных атомов сконцентрацией na, σ – сечение упругого рассеяния ионов на нейтральных атомах [93],составляющее величину порядка 5∙10-15 см2 [94].Концентрация нейтральных атомов вблизи среза ускорительного канала(4.3)где ηi, ṁa - коэффициент переработки в ускорительном канале потока атомов в ионы ирасход ксенона через ускорительный канал; M, Va - масса и скорость атомов ксенона; d, b средний диаметр и ширина ускорительного канала.Оценки для исследованных режимов работы модели СПД-85П показывают, чтохарактерное значение концентрации нейтральных атомов вблизи выходного сеченияускорительного канала могло составлять величину порядка 1,2•1012 1/см3.

Соответственно,для длины свободного пробега ионов можно получить оценкуТаким образом, отношениесм., т.е. достаточно мало. Поэтому(4.4)и полная доля рассеянных ионов на длине порядка 2см непосредственно у выхода издвигателя может составлять порядка 1,25% от полного потока ионов. При расходе ксеноначерез ускорительный канал 2,5мг/с ионный ток на выходе из ускорительного каналасоставлял величину порядка 2А. Поэтому общая доля рассеянных у выхода изускорительного канала ионов на длине порядка 2см могла составить не более 25мА. Из нихна углы рассеяния порядка θ=(90 ± 10) градусов рассеивается доля(4.5)118Понятно, что эта доля рассеянных ионов на названные углы значительно меньше 1.Если принять значениясм2 по данным работы [69], то получаются значения, т.е. величина плотности тока чисто упруго рассеянных ионов, которые моглибыть измерены энергоанализатором в рассматриваемом эксперименте должна была бысоставитьмА/см2. В то же время измеренные значения плотности тока составили(0,3-0,5)мА/см2, т.е.

значительно больше. Следовательно, чисто упруго рассеянные ионы, повидимому, дают определенный вклад в полный радиальный ток, возможно, проявляющийсяв высокоэнергетической части распределения ионов по энергии. Однако этот механизм неспособен дать измеренные значения радиальных потоков ионов.Что касается возможности ускорения ионов перепадом потенциала в плазме, то оценки,выполненные по измеренным значениям температуры электронов и концентрации плазмы,свидетельствуют о том, что этот механизм не может дать таких энергий ионов.Действительно, концентрация плазмы в месте расположения зондов составляла ~2∙1010 1/см3,а концентрация ионов на выходе из двигателя при разрядном напряжении 300В и расходечерез ускорительный канал 2,5мг/с по оценкам составляет ~2∙1011 1/см3.

При такомсоотношении концентраций и температуре электронов (6-8)эВ перепад потенциалов в плазмене должен превышать ~(15-20)В. Это означает, что основная часть ионов в радиальныхпотоках с энергиями (80-120)эВ не могла быть получена за счет ускорения медленных ионовперепадом потенциалов плазмы между выходом из ускорительного канала и местомрасположения зондов.Таким образом, вероятнее всего радиальный поток ионов с достаточно большойэнергией в основном формируется в разряде, часть зоны ускорения которого располагаетсявне ускорительного канала.В целом результаты проведенных измерений позволили получить качественно новуюинформацию о потоках ионов, разлетающихся в окрестности выходной плоскости двигателяпо направлениям, близким к радиальным, позволяющую сделать более определенныевыводы о механизме их возникновения.В прикладном плане важно то, что с повышением разрядного напряжения проблемаэрозии элементов катода в соответствии с полученным данными не усугубляется.