Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 5

Однако величина приращения удельногоимпульса оказалась незначительной и при приложенном разрядном напряжении 400Всоставила не более 1,5км/с. При этом тяговая эффективность работы двигателя была ниже,чем на ксеноне, как минимум, на 5% и составила ~ 54%. Это связано с тем, что переход надругое рабочее тело, должен сопровождаться оптимизацией всех рабочих процессов вускорителе. Прежде всего, необходимо оптимизировать процесс ионизации. Одно изусловий сопоставимости параметров рабочего режима двигателя для достижения высокойэффективности ионизации можно записать в виде:(1.3)где- длина свободного пробега атомов до ионизации,- продольнаяпротяженность (толщина) слоя ионизации и ускорения (СИУ).При анализе результатов испытаний [32] проведенная оценка величины коэффициентаиспользования рабочего тела показала, что в случае с криптоном его величина, при том жемассовом расходе, меньше на 11% по сравнению с ксеноном. Кроме того, в той же работебыло показано, что в соответствии с соотношением (1.3) для получения сопоставимыхэффективности ионизации и значений тягового КПД при работе на криптоне (или любомболее легком газе) необходимо работать на повышенных плотностях потока частиц рабочеготела.

Это приводит к повышению мощности разряда, так как в первом приближении.20В целом же, эти исследования показали, что, работая на криптоне, можно добитьсядостаточно высокой эффективности работы двигателя, однако значительного увеличениявеличины удельного импульса при этом не наблюдается. Кроме того, повышение мощностиразряда, по сравнению с аналогичными значениями на ксеноне, вызывает ряд проблем и,прежде всего, проблему обеспечения большого ресурса двигателя. Следовательно, можноприйти к заключению, что переход на газы с более низкой массой, по крайней мере, длямоделей масштаба СПД-100 не дает значительных преимуществ.

В связи с этим, основнымспособом повышения удельного импульса тяги в настоящее время является увеличениеразрядного напряжения, так как скорость ионов в первом приближении пропорциональнаразности потенциалов, реализующейся в канале двигателя.Исследования СПД на режимах работы с высоким разрядным напряжениемпроводились еще во времена первых экспериментов с ускорителями с замкнутым дрейфомэлектронов, на основе которых созданы СПД. Однако систематические исследованияначались лишь после успешного внедрения первых СПД в состав КА, когда стало ясно, что сростом срока активного существования спутников будут востребованы ЭРД с существеннобольшим удельным импульсом, чем у серийных СПД.Так, в ОКБ «Факел» по заказу фирмы Atlantic Research Corporation (ARC) быларазработанамодельСПД-1,котораяявляетсягибриднойсхемой,сочетающейметаллическую стенку разрядной камеры, как у ДАС, с выходными кольцами издиэлектрического материала, как у СПД.

Данная модель работала с мощностью разряда впределах 1,0-3,2 кВт при напряжении до 1250В. Максимальный «анодный» (рассчитанныйбез учета расхода РТ в катод) удельный импульс достигал величины более 35км/с, а приразрядном напряжении 1000В – порядка 32км/с с КПД - 0,57 [33].

Также в процессеисследования СПД-1 установлено несколько важных особенностей работы на повышенныхразрядных напряжениях: во-первых, с увеличением разрядного напряжения при постоянномрасходе РТ через анод с некоторого момента начинает расти разрядный ток; во-вторых,тяговая эффективность с увеличением напряжения растет до определенного промежуточногозначения, после которого с ростом напряжения происходит падение КПД [33].

Ростразрядного тока, вероятнее всего, обусловлен несколькими факторами: увеличением числамногозарядных ионов, улучшением использования РТ и, наконец, увеличением долисквозного электронного тока.После работ с моделью СПД-1 в ОКБ «Факел началась разработка двухрежимныхдвигателей СПД-100Д и СПД-140Д, на основе СПД-100 и СПД-140. Двигатели СПД-100Д иСПД-140Д способны работать на режиме большой тяги и на режиме с высоким удельнымимпульсом (Iуд=27,5км/с). Кроме того, СПД-140Д прошел 5000 часовые испытания на21режиме большой тяги и 1000-часовые испытания на режиме с повышенным до 27,5км/судельным импульсом тяги [34].В НИИ ПМЭ МАИ осуществлялась разработка высоковольтных моделей различныхмоделей СПД-80 и СПД-115, результаты исследования которых были продолжены в работахс лабораторной моделью двигателя типоразмера СПД-100, получившей обозначение СПД100В.

Кроме того исследовались модели масштаба СПД-140, которые продемонстрироваливозможность работы на режимах с разрядным напряжением порядка 1000В и с аноднымудельным импульсом до 36км/с [35].В последнее время активную разработку СПД с повышенным удельным импульсомведет исследовательский центр имени М.В. Келдыша. Серия двигателей центра Келдышаспроектирована с использованием гибридной разрядной камерой, как у СПД-1.

Основныехарактеристики двигателей показаны в таблице 1.3 [4].Некоторые двигатели уже прошли длительные испытания. Так, например, двигательКМ-88 отработал более 1000 часов при мощности разряда 1600Вт и разрядном напряжении550В. Удельный импульс в ходе испытаний изменялся от 22,5км/с в начале эксперимента до19км/с – в конце. По результатам испытаний была произведена оценка, согласно которойресурс двигателя составит не менее 4000 часов [36].Таблица 1.3 - Основные параметры СПД, разработанных в исследовательском центре имМ.В. КелдышаУдельныйПотребляемаяТип двигателяТяга, мНимпульсРесурс, часовмощность, кВттяги, м/с3500-4000КМ-450,2 – 0,410-2512500-15000(проект)КМ-600,943,0200003500КМ-75КМ-5 (прошел летныеиспытания)2,180,0275007000 (проект)2,0100-11018800-209007000 (проект)10000(проект)Следует добавить, что двигатель КМ-88 прошел длительные испытания с Ud=700В иКМ-74,5290,017900удельным импульсом порядка 28км/с.

Двигатель КМ-7 также отрабатывается на режимах сUd=1000В [4].СПД с высоким удельным импульсом разрабатываются и за рубежом. В Европенаибольших результатов в этом направлении добилась французская фирма Snecma. Так, набазе лабораторной модели PPS-1350-MLM, который является модификацией летногодвигателя PPS-1350, разрабатывается новый двигатель PPS-5000 с высоким удельным22импульсом. На этом двигателе исследуются режимы с разрядным напряжением до 1000В иудельным импульсом порядка 30км/с. КПД на данных режимах достигает 50-60% [37-39].Американская компания Busek при поддержке NASA разрабатывает СПД с высокимудельным импульсом ВНТ-1500, который должен составить конкуренцию ионномудвигателю NSTAR.

Для этого ВНТ-1500 должен обладать удельным импульсом 32км/с примощности 2,3кВт, аналогично NSTAR. В ходе предварительных испытаний ВНТ-1500продемонстрировал удельный импульс на уровне 32км/с при разрядном напряжении 1000В,КПД на данном режиме составил более 50% [40].Также в США в рамках программы In-Space Propulsion Technology Program подуправлением NASA’s Science Mission Directorate прорабатываются варианты использованияСПД в научных миссиях в дальнем космосе класса Discovery, как альтернатива программе сионным двигателем NEXT.

Программа получила название High Voltage Hall Accelerator(HiVHAc) и к ней предъявляют следующие требования: широкий диапазон мощностиразряда 0,3-3,5 кВт и удельный импульс 10-28км/с. Данную разработку совместноосуществляют Aerojet и NASA Glenn Research Center, в ходе которой были созданы 3лабораторные модели СПД: NASA-77M, NASA-94M и NASA-103M.XL, основой длякоторых послужила модель СПД-1, рассмотренная выше. Наибольший прогресс достигнут сдвигателем NASA-103M.XL (мощность до 3,5кВт и Iуд=28км/с) [41].

Также, стоит отметить,что данный двигатель прошел ресурсные испытания продолжительностью 4731ч на режимес разрядным напряжением 700В. Предполагается, что данный двигатель будет иметь ресурсболее 15000 часов на режиме с Ud=700B и Id=5A, израсходовав за это время более 300кгксенона.В Мичиганском университете (University of Michigan) испытана модель двигателяNASA-173M для работы на высоковольтных режимах. Модель имеет наружный диаметр173мм и рассчитана на номинальную мощность разряда порядка 5кВт.

Кроме того, двигательпредназначен для работы по двухступенчатой схеме питания разряда, аналогично той, чтоиспользуется для двухступенчатых ДАС. Основная идея работы по двухступенчатой схеме вданном случае – разделение зон ионизации и ускорения с целью улучшить ионизациюрабочего тела. Кроме того, для управления топологией магнитного поля по длине канала вмодели предусмотрена дополнительная анодная катушка намагничивания. В результате приразрядном напряжении 1000В и мощности разряда порядка 5,3кВт удалось получитьанодный удельный импульс около 34км/с при «анодной» эффективности более 0,5. Помимопрочего установлено, что ток намагничивания в дополнительной анодной катушкепредпочтительно направлять противоположно токам в наружных и внутренний катушках.23При этом вблизи анода создается отрицательное магнитное поле, что ведет к росту КПД иудельного импульса [42].В последние годы программа HiVHAc дала качественно новые результаты, а именно:по этой программе разработан способ «магнитной защиты» стенок разрядной камеры [4346].

Суть его сводится к тому, что конфигурация выходной части стенок разрядной камеры исиловых линий магнитного поля проектируются таким образом, что:- ускорительный канал выполняется с уширением его выходной части;-отдельные силовые линии магнитного поля вблизи выхода из ускорительного каналавходят внутрь ускорительного канала, по возможности, не касаясь стенок разрядной камеры(рисунок 1.2) [47, 48].Рисунок 1.2 – Конфигурации выходной части ускорительного канала и силовыхлиний магнитного поля, а также расчетное распределение потенциала в выходнойчасти разрядной камеры.При этом удается получить существенно меньшие скорости износа стенок разряднойкамеры за счет того, что потенциал у стенок получается близким к анодному, и ионы,попадающие на стенки, имеют малую энергию (см., например, [49]).

Поэтому специалистыСША надеются создать СПД с магнитной защитой стенок разрядной камеры с удельнымимпульсом тяги до 30км/с и с ресурсом до 50 тысяч часов. Это позволит им заменить ионныедвигатели на существенно более дешевые СПД при решении целого ряда задач космическихисследований [50].Все изложенное подтверждает актуальность и перспективность работ по повышениюудельного импульса СПД.241.3 Особенности схем СПД, работающих при повышенномразрядном напряженииСПД, работающие на режимах работы с повышенным разрядным напряжениемдолжны иметьконструкцию, несколько отличающуюся отконструкциимоделей,работающих на низковольтных режимах. Прежде всего, это отличие заключается в усилениивозможностей магнитной системы по созданию магнитного поля. Для этого необходимоувеличить количество Ампер-витков в катушках намагничивания и увеличить сечениеэлементов магнитопровода магнитной системы двигателя.