Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 24

Проведен анализ состояния разработки СПД и показана актуальность разработкидвигателей этого типа с повышенными до (25-30) км/с и более удельными импульсами тяги.2. Проведен анализ возможных конструктивных схем СПД для работы на режимах свысоким удельным импульсом тяги. Показано, что предложенная в НИИ ПМЭ МАИ схемаСПД с магнитным экраном внутри разрядной является перспективной для двигателей,работающих с высокими разрядными напряжениями и удельными импульсами тяги.3.

Проведено исследование лабораторных моделей СПД типа СПД-100П, СПД-85П имодернизированных моделей СПД-100ПМ и СПД-140ПМ с магнитным экраном внутриразрядной камеры, определены их интегральные характеристики и выявлены особенностиработы двигателей такой схемы. В частности показано, что:3.1. Двигатели выбранной схемы обладают значительными возможностямиуправления характеристиками магнитного поля в ускорительном канале и позволяютполучать тяговые характеристики двигателя, сопоставимые с тяговыми характеристикамидвигателей традиционной схемы при меньшей массе двигателя и меньших затратах насоздание магнитного поля.

Выбранная схема обеспечивает также получение меньшейпротяженности слоя ионизации и ускорения и протяженности зон эрозии на стенкахразрядной камеры и за счет этого обеспечивает возможность более длительной работыдвигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги.3.2. При длительной работе двигателей такой схемы осаждение распыленного свыходных участков стенок разрядной камеры материала на поверхности магнитного экранапроисходитввидеслабосвязанныхсповерхностьюпорошкообразныхчастиц,неравномерное накопление которых на отдельных частях стенок разрядной камеры приводитк увеличению разрядного тока и снижению тяговой эффективности двигателя.

Негативноевлияние этого процесса можно снизить с помощью защитных экранов, выполненных из тогоже материала, что и материал выходных участков стенок разрядной камеры, а также за счетпредварительного уширения выходной части разрядной камеры.1273.3. В двигателе выбранной схемы с изолированным («плавающим»)магнитным экраном затруднено зажигание основного разряда при малых расходах черезускорительный канал из-за того, что магнитный экран приобретает низкий потенциал приработе катода в режиме поджига.

Названное затруднение можно устранить соединениеммагнитного экрана с анодом непосредственно или через достаточно большое омическоесопротивление, а также переходом на последовательную двухступенчатую схему питанияразряда, когда на магнитный экран подается отрицательное смещение (50—100)Вотносительно анода.4. Исследованы возможности и разработаны способы повышения тягового КПДдвигателя с магнитным экраном внутри разрядной камеры на режимах работы с высокимиудельными импульсами тяги.

Показано, что выдвижением максимума распределениямагнитного поля при одновременном сужении выходной части ускорительного каналаможно снизить негативное влияние уширения ускорительного канала из-за износаограничивающих его стенок на тяговые характеристики двигателя и обеспечить приуширениях выходной части ускорительного канала до 45 градусов на сторону уровеньназванных характеристик, близкий к уровню тяговых характеристик при исходнойцилиндрической геометрии ускорительного канала. Показано также, что наилучшие тяговыехарактеристики двигателя на режиме с высоким удельным импульсом тяги получаются приреализации двухступенчатой схемы питания разряда. Данная схема позволяет расширитьдиапазон рабочих режимов СПД по суммарному разрядному напряжению до 1400В иобеспечить возможность получения «анодного» удельного импульса тяги до 40км/с и«анодного» тягового КПД порядка 0,6 при мощностях разряда двигателя масштаба СПД-140до 5 кВт.На основе этих исследований разработаны лабораторные модели двигателей СПД100ПМ и СПД-140ПМ, способные работать как в одноступенчатом, так и в двухступенчатомрежимах с удельными импульсами тяги до 30км/с и 35км/с, соответственно, и тяговым КПДболее 50%.

Эти модели могут быть использованы в качестве прототипов при разработкеопытных образцов СПД с высоким удельным импульсом тяги.5. Проведено исследование плотности тока и энергетических характеристик ионов врадиальных потоках, движущихся в окрестности выходной плоскости СПД, а такжевозможностей защиты катодов от распыления названными ионами. Показано, что в этихпотоках значительную долю составляют ионы со средней энергией (80-120)эВ, слабоизменяющейся при изменении режима работы двигателя, и что основным источником этихионов является выходная часть СИУ, вынесенная в современных СПД за пределыускорительного канала. Показано также, что при боковом расположении катода он может128быть защищен размещением его вне пределов прямой видимости из упомянутой выходнойчасти СИУ или экраном из износостойкого материала, размещенным между катодом ианодным блоком двигателя.129СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Архипов, А.

С. Стационарные плазменные двигатели Морозова: монография/А. С. Архипов, В. П. Ким, Е. К. Сидоренко. - М.: Издательство «МАИ», 2012. - 292с.2.Khrabrov, V. A. Development and Flight Tests of the First Electric PropulsionSystem in Space / V. A. Khrabrov // Paper IEPC-2007-109 presented at 30th InternationalElectric Propulsion Conference, Florence, Italy. - 2007. - September 17-20.3.Козубский, К.

Н. СПД работают в космосе / К. Н. Козубский, В. М. Мурашко,Ю. П. Рылов и др. // Физика плазмы. – 2003. - Т.29, №3. - С.277-292.4.Горшков, О. А. Холловские и ионные плазменные двигатели для космическихаппаратов / О. А. Горшков, В. А. Муравлев, А. А. Шагайда. – М.: «Машиностроение»,2008. - 280с.5.Delgado, J. J. Space Systems Loral Electric Propulsion Subsystem: 10 Years of On-Orbit Operation / J. J.

Delgado, J. A. Baldwin, R. L. Corey // Paper IEPC-2015-04/ISTS-2015-b04 presented at 34th International Electric Propulsion Conference, Kobe, Japan. – 2015. – July 610.6.Экспресс – АМ6. [Электронный ресурс] // Материалы с официального сайтаАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева.

URL;http://www.iss-reshetnev.ru/projects, (дата обращения: 07.05.2015)7.Semenkin, A. V. Operating Envelopes of Thrusters with Anode Layer / A. V.Semenkin, S. O. Tverdokhlebov, V. I. Garkusha et al.// Paper IEPC-2001-013 presented at the27th International Electric Propulsion Conference, Pasadena, California, USA. – 2001. - October15-19.8.Zakharenkov L. Development and Study of the Very High Specific Impulse BismuthTAL / L. Zakharenkov, A. Semenkin, S Tverdokhlebov, A Sengupta, C Marrese-Reading //Paper IEPC-2007-128 presented at the 30th International Electric Propulsion Conference,Florence, Italy.

– 2007. - September 17-20.9.Lichtin, D. A. An Overview of Electric Propulsion Activities in US Industry – 2005 /D. A. Lichtin // Paper AIAA 2005-3532 presented at the 41st Joint Propulsion Conference andExhibit, Tucson, Arizona, USA. – 2005. – July 10-13.13010.Spores, R. A. Overview of the USAF Electric Propulsion Program / R. A. Spores, G.G. Spanjers, M.

Birkan, T. J. Lawrence // Paper AIAA 2001-3225 presented at 37th JointPropulsion Conference and Exhibit, Salt Lake City, Utah, USA. – 2001. – July 8-11.11.Hofer, R. R. Evaluation of a 4,5kW Commercial Hall Thruster System for NASAScience Missions / R. R. Hofer, T. M. Randolph, D.

Y. Oh, J. S. Snyder, K. H. de Grys // PaperAIAA-2006-4469 presented at the 42sd Joint Propulsion Conference & Exhibit, Sacramento,California, USA. – 2006. - July 9 -12.12.Khayms, V. Status of Hall Integration Activities at Lockheed Martin Space SystemCompany / V. Khayms, L. Werthman, K. Kannenberg, S. Hu, B.

Emgushov, J. W. Meyer //Paper AIAA-2003-5261 presented at 39th AIAA Joint Propulsion Conference13.Casaregola, C. Electric Propulsion for Commercial Applications: In-FlightExperience and Perspective at Eutelsat / C. Casaregola// Paper IEPC-2013-332 presented at the33rd International Electric Propulsion Conference, The George Washington University,Washington, D.C., USA. – 2013. - October 6 – 10.14.Koppel, C. R.

The SMART-1 Hall Effect Thruster Around the Moon: In FlightExperience / C. R. Koppel, D. Estublier // Paper IEPC-2005-119 presented at the 29thInternational Electric Propulsion Conference, Princeton University, USA. – 2005. - October 31November 4.15.Gonzalez, J. European Space Agency Activities in Electric Propulsion / J. Gonzalez// Paper IEPC-2013-037 presented at the 33rd International Electric Propulsion Conference, TheGeorge Washington University, Washington, D.C., USA.

– 2013. - October 6 – 10.16.Manzella, D. Hall Thruster Technology for NASA Science Mission / D. Manzella,D. Oh, R. Aadland // Paper AIAA-2005-3675 presented at the 41st Joint Propulsion Conference& Exhibit, Tucson, Arizona, USA. – 2005. - July 10-13.17.Gonzalez, J. ESA Electric Propulsion Activities / J. Gonzalez, G. Saccoccia // PaperIEPC-2011-329 presented at the 32th International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden,Germany. – 2011.