Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 23

Тем неменее, поскольку проблема существует, в работе рассмотрены возможные пути защитыкатодов. Самым простым среди них является выбор положения катода, при которомрадиальные потоки ионов со средней энергией не должны попадать на поверхностиэлементов катода. Но важно понять, как при этом изменятся характеристики двигателя, и незатруднится ли его запуск. Поэтому было проведено исследования влияния положениякатода на характеристики двигателя, работающего при повышенном разрядном напряжении.1194.3. Исследование характеристик модели СПД-85П при различныхположениях катода при работе в широком диапазоне разрядныхнапряженийКак было установлено в предыдущем разделе в радиальных ионных потокахприсутствуют ионы с энергией 80-120эВ, которой достаточно для эрозии элементов катодов.Важным представляется то, что эти потоки ионов действительно имеют пространственнуюструктуру, близкую к радиальной.

Это подтверждается не только приведенной ранеекартиной эрозии поджигающих электродов катодов (рисунок 4.2), но и характером эрозииповерхностей энергоанализатора после описанных в предыдущем разделе экспериментов(рисунок 4.6).Рисунок 4.6 - Следы эрозии на энергоанализаторе после зондовых измерениймодели СПД-85ПКак видно, и в этом случае отчетливо проявляется ленточный характер зоны эрозии.Это приводит к идее защиты катода путем размещения его в «теневых» областях, куда ионыс достаточно большой энергией не попадают. Естественно, возникает и вторая идея,состоящая в том, что возможна защита катода от эрозии его элементов путем размещенияего за защитными экранами.

Проблема состоит лишь в том, как положение катода вназванных «теневых» областях или за защитным экраном скажется на тяговойэффективности двигателя. С учетом изложенного в НИИ ПМЭ МАИ при участии автораданной работы в качестве ответственного исполнителя было изучено влияние расположениякатода в «теневых» областях, сформированной наружным полюсом магнитной системы,скажется на тяговом КПД двигателя. Для этого была проведена серия экспериментов смоделью СПД-85П при разных положениях катода.Схема эксперимента показана на рисунке 4.7, а изменяемые размеры положения катодаотносительно анодного блока приведены в таблице 4.1, где отрицательные значения размера120Б означают положение верхней кромки катода за плоскостью магнитных полюсов.

Принаименьшем названном размере он находился вне пределов прямой видимости изсферической области на выходе разрядной камеры с радиусом порядка 1см. Таким образом,при этом положении катода ионы с достаточно большой энергией, которые должныдвигаться практически прямолинейно, не должны попадать на поверхности катода.Эксперименты проводились на режимах с разрядными напряжениями в диапазоне 300800В с расходами рабочего тела через анод 2,1 и 2,5мг/с и на режиме, обеспечивающеммощность разряда 2,1кВт при напряжении 800В.

Средние за время испытаний тяговыехарактеристики модели на выбранных режимах приведены в таблице 4.1.Таблица 4.1 - Параметры двигателя на режиме работы с разрядным напряжением 800Ви мощностью около 2кВт при различных положениях катодаПоложение катода№1№2№3Размер А, град252556Размер Б, мм12-3-12Размер В, мм123123118Тяга, мН70,7570,873,9Удельный импульс тяги, м/с270932801529709Тяговый КПД0,460,50,5(а)(б)Рисунок 4.7 – Схема расположения катода относительно анодного блока. (а) – Катодвыступает над выходной плоскостью модели; (б) – Катод за выходной плоскостьюмоделиВ результате было получено, что тяговые характеристики модели с положением катода№3 оказались не хуже характеристик при других положениях катода (рисунок 4.8 (а) - (б)),хотя разность потенциалов катода и камеры возросла почти на 20В (рисунок 4.8 (в)), чтодолжно свидетельствовать об увеличении затрат на транспортировку электронов к струе идолжно приводить к уменьшению тягового КПД.121(а)(б)(в)Рисунок 4.8.

(а) – Зависимости «анодного» удельного импульса от времени дляразличных положений катода; (б) - Зависимости тягового КПД от времени дляразличных положений катода; (в) - Зависимости потенциала катод-земля отвремени для различных положений катодаЭтот неожиданный результат может быть объяснен тем, что в положении 3 возрослаэлектронная температура, что способствовало повышению эффективности ионизации потокарабочего газа и некоторому повышению его использования в ускорительном канале.В дальнейшем проводилась контрольная наработка длительностью 50 часов дляположения катода №3, при котором получены наилучшие тяговые характеристики.

Выбранрежим работы с мощностью разряда 2,1кВт при разрядном напряжении 800В. Необходимоотметить, что еще перед началом испытаний на контрольную наработку выходные кольцаимели значительное уширение, что объясняет немного меньшую величину удельногоимпульса тяги.Характеристики модели во время контрольной наработки показаны на рисунках 4.9 (а)– (б).122(а)(б)(в)(г)Рисунок 4.9 (а) - Изменение разрядного тока в процессе контрольной наработки отвремени; (б) - Изменение мощности разряда в процессе контрольной наработки отвремени; (в) – Изменение «анодного» удельного импульса тяги в процессеконтрольной наработки от времени; (г) - Изменение «анодного» тягового КПД впроцессе контрольной наработки от времениВидно, что, как и для результатов ресурсных испытаний модели СПД-85П,приведенных во второй главе, наблюдается постепенное снижение тяговых характеристикмодели, что может быть объяснено уширением канала.

Несмотря на сохранение негативнойтенденции уменьшения удельного импульса при длительной наработке, свойственноемодели СПД-85П при положении катода относительно анодного блока №1 (в такойконфигурации модель проходила ресурсные испытания (см. раздел 2.5.3)) положение катода№3 не дает какого-либо заметного ухудшения тяговых характеристик.

Таким образом,полученный результат говорит о допустимости перемещения катода относительно анодногоблока так, чтобы выходное отверстие катода находилось за плоскостью магнитных полюсов,для его защиты от ионного распыления.123Для объяснения причины получения наилучших тяговых характеристик модели скатодом, размещенным за выходной плоскостью модели (положение №3), была выдвинутавторая версия, суть которой заключается в том, что при удалении катода поток ксенона изнего создавал меньшую азимутальную неравномерность распределения концентрациинейтрального газа на выходе из двигателя и, соответственно, оказывалось меньшеенегативное влияние этой неравномерности на рабочие процессы в двигателе.Для проверки этой гипотезы был проведен следующий эксперимент. На модели СПД85П с пластиной для крепления электростатических зондов имеется вырез для катода иименно в такой конфигурации модель проходила все выше перечисленные эксперименты.

Внастоящем эксперименте вырез для катода перекрывался пластиной с треугольным разрезом(рисунок 4.10 (а)), которая при движении вверх уменьшала отверстие для проходаслабоионизованной плазмы из катода в направлении основного разряда. При этом катоднаходился в положении №2, которое не выявило заметного отличия в тяговыххарактеристиках по сравнению с теми, что были получены для расположения катода,близкого к применяемому на СПД разработки ОКБ «Факел» (положение №1). Пластина свырезом, перекрывающая прикатодную область, находилась под «плавающим» потенциаломи перемещалась к оси двигателя или от его оси (вверх-вниз на рисунке 4.10) с помощьюлинейного координатного устройства, соответственно уменьшая или увеличивая проходноеотверстие, при этом зазор между пластиной с треугольным вырезом и пластиной длякрепления зондов был меньше 1мм.(а)(б)Рисунок 4.10 (а) – Схема перекрытия выходного отверстия катода; (б) - Фото моделиСПД-85П с пластиной для перекрытия катодного отверстия124Испытания проводились на режиме с разрядным напряжением Ud=600B и расходомксенона через анодный блок=2,48мг/с при токах в катушках намагничивания Im1=5,6A иIm2=5,1A, соответственно во внутренней и наружной катушках.Эти эксперименты показали, что вплоть до положения, при котором остаетсяминимальное отверстие для свободного выхода электронов из прикатодной областиуменьшение проходного сечения практически не сказывается на работе двигателя (таблица4.2).Таблица 4.2 - Характеристики работы модели СПД-85П при различных величинахпроходного отверстия между прикатодной области и пространством непосредственно передсрезом моделиВысотаПлощадьРазрядный«Анодный»«Анодный»Потенциалтреугольного треугольноготок, Аудельныйтяговый КПД, катод-земля,отверстия,отверстия,импульс, м/с%В2ммсм50212,292439455-43,954013,52,32417354-45,52307,52,312403253-42,7203,42,312401453-38,47100,82,312414153-36,250,22,322403753-36,06Итак, проведенные эксперименты показали, что уменьшение сечения для выхода изкатода электронов и нейтрального газа не оказывает существенного влияния на тяговыехарактеристики двигателя.

Следовательно, предположение о влиянии неравномерностираспределения нейтрального газа на тяговые характеристики, также не подтверждается.Кположительнымрезультатамэкспериментаможноотнестиподтверждениевозможности защиты катода от ионного распыления с помощью дополнительных экранов,выполненных из стойкого к ионному распылению материала, т.к. перекрытие пространствамежду катодом и анодом мало изменяет характеристики двигателя. Поскольку работа самогокатода при повышении разрядного напряжения также изменяется незначительно,возможность обеспечения большого ресурса катода с увеличением разрядного напряженияне вызывает сомнений.125Заключение к Главе 4В результате исследования радиальных ионных потоков в окрестности выходнойплоскости СПД на различных режимах работы были получены новые данные обэнергетических характеристиках радиальных ионных потоков. Так было установлено, что:- в радиальных потоках в ближайшей окрестности выходной плоскости двигателядоминируют ионы со средней энергией в диапазоне 80-120эВ, которая слабо зависит отприложенного разрядного напряжения;- источником ионов со средней энергией в радиальных ионных потоках являетсявыходная часть ускоряющего слоя, выдвинутая за пределы ускорительного канала.Проведенные эксперименты с различными положениями катода относительноанодного блока на разных режимах работы двигателя показали, что существует возможностьперемещения катода в область за пределами прямой видимости из выходной части СИУ,выдвинутой из ускорительного канала, что обеспечивает минимальную интенсивностьионной бомбардировки катода из основного разряда в двигателе.Показано также, что существует возможность защиты катода за счет установкидополнительныхэкрановхарактеристик двигателя.изизносостойкогоматериалабезухудшениятяговых126ЗАКЛЮЧЕНИЕВ заключение к диссертационной работе сформулированы следующие выводы:1.