Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 7

При этом магнитный экран может выполнять также функциианода и газораспределителя [57].30Варианты 2 или 3 реализуются в разработках исследовательского центра имени М.В.Келдыша (ИЦК), а вариант с магнитным экраном, выполняющим функции части разряднойкамеры и анода, разрабатывается в ОКБ «Факел» [57].(а)(б)Рисунок 1.9 (а) – Схема двигателя с проводящей частью разрядной камеры; (б)- Схема СПД с магнитным анодом – газораспределителемСледует отметить, что наряду с указанными выше достоинствами схемы 2 и 3обладают следующим недостатком, существенным при рассмотрении проблемы созданиявысоковольтных двигателей.

Он сводится к тому, что проводящая часть разрядной камерыконтактирует с плазмой и приобретает потенциал, близкий к анодному, даже если она несоединена с анодом. Поэтому необходима ее надежная изоляция для предотвращенияпаразитных разрядов и пробоев с нее. Эта изоляция в ДАС и в схемах 2 и 3 осуществляетсяэлектростатическим экраном, окружающим проводящую часть разрядной камеры ирасположенным на достаточно малом расстоянии от нее. Этот экран выполняется либо ввиде магнитного экрана, если он расположен снаружи разрядной камеры, либо специальнымэлектростатическим экраном, если магнитный экран исполняет роль проводящей частиразрядной камеры. Возможность такой защиты от пробоев и паразитных разрядов известнадавно, но при этом необходимо предотвращать повышение давления в рассматриваемомпромежутке между проводящей частью разрядной камеры и электростатическим экраном иобеспечивать чистоту поверхностей, ограничивающих рассматриваемый зазор, в течениедлительных промежутков времени как при наземных испытаниях, так и в условиях натурнойэксплуатации.

И даже при выполнении защитных мер всегда существует вероятностьвозникновения паразитных разрядов или пробоев, особенно, при увеличении размеров31двигателя и, соответственно, при увеличении площади поверхностей, ограничивающихрассматриваемый зазор.С учетом указанных выше требований в НИИ ПМЭ МАИ разработана схема 4высоковольтного двигателя с магнитным экраном (рисунок 1.10), выполняющим функциичасти разрядной камеры, на выходе которой установлены керамические кольца,ограничивающиеобластьразрядасмаксимальнойиндукциеймагнитногополя.Одновременно с этим проводящая часть разрядной камеры изолирована от другихпроводящихэлементовдвигателякерамическимкорпусом,чтопредотвращаетвозникновение пробоев и паразитных разрядов [58].

Таким образом, получается схема смагнитным экраном, размещенным внутри разрядной камеры.Рисунок 1.10 - Базовая конструктивная схема модели типоразмера СПД-100П (1 –анод –газораспределитель; 2 – магнитный экран; 3,4 - магнитные полюса; 5,6 – катушкинамагничивания; 7,8 - выходные кольца разрядной камеры; 9 – экранирующая сетка)Размещение магнитного экрана внутри разрядной камеры позволяет расширить зонурегулирования магнитного поля в области межполюсного зазора, что обеспечиваетрасширение возможностей управления положением зоны ускорения ионов и зон эрозиистенок разрядной камеры. Таким образом, отличием конструкции модели СПД-100П (вдальнейшем все модели, выполненные по схеме 4, обозначаются с индексом «П») отрассмотренной выше модели СПД-100В является введение отделенного от остальныхэлементов магнитной системы магнитного экрана 2, размещенного внутри керамическогокорпуса разрядной камеры (см.

рисунок 1.10). Данный магнитный экран может бытьизготовлен из пермендюра (железокобальтовый сплав 49КФ), ключевыми свойствами32которого являются высокая магнитная проницаемость и высокая температура точки Кюри,равной 9800С.В результате моделирования магнитного поля с помощью стандартных программ былополучено, что магнитная система модели СПД-100П позволяет получать магнитное поле сотчетливо выраженной фокусирующей геометрией силовых линий магнитного поля(рисунок 1.11(а)) и с большей скоростью ее нарастания к выходу из ускорительного канала,чем в модели СПД-100В (рисунок 1.11(б)).

Это позволяет уменьшить при прочих равныхусловиях протяженность СИУ и протяженность зон эрозии на стенках. Соответственно,можно было ожидать, что она позволит добиться лучших результатов в плане оптимизацииработы двигателя при повышенных разрядных напряжениях.(а)(б)Рисунок 1.11 (а) – Конфигурация силовых линий магнитного поля и распределениемагнитной индукции вдоль срединной поверхности ускорительного канала при токе вовнутренней катушке намагничивания 1,2А и 1,5А в наружных катушках; (б) Распределение индукции магнитного поля в канале в моделях типа СПД-100В и СПД100П при одинаковых Ампер-виткахПомимо «отрыва» магнитного экрана от остальных элементов магнитной системыдвигателя увеличение индукции в максимуме по длине ускорительного канала обусловленотем, что за счет уменьшения внутреннего диаметра наружного полюса с 117мм до 110мм иодновременного увеличения внутреннего полюса с 45мм до 50мм уменьшен межполюснойзазор с 36мм до 30мм.

При прочих равных условиях данное уменьшение межполюсногозазора должно привести к росту магнитной индукции на 20%. Фактическое же увеличениеиндукции составило примерно 50%. Таким образом, за счет перехода на новую схемуудается увеличить магнитную индукцию еще на 20-30 процентов.Как отмечалось выше, в связи с уменьшением плотности расхода при увеличенииразрядного напряжения и уменьшении расхода рабочего газа через ускорительный канал ивозможным снижением вероятности ионизации атомов рабочего газа в ускорительном33канале определенный эффект может дать организация дополнительного разряда. Поэтомупредставляло интерес изучение влияния схем питания разряда в СПД на его работу ихарактеристики, в том числе, при работе по двухступенчатой схеме.

Одним из преимуществмоделей с экраном внутри разрядной камеры является возможность снабдить магнитныйэкран электрическим выводом и таким образом двигатель сможет работать подвухступенчатой схеме питания разряда. В случае двухступенчатого режима экранисполняет роль промежуточного электрода или катода в разряде первой ступени. Кромевозможности организации дополнительного разряда для более эффективной ионизации РТ,магнитный экран может исполнять роль электрода, управляющего переносом электронов вприанодной области.

И, наконец, его можно соединить с анодом и получить версию«двигателя с магнитным анодом». Таким образом, модели данной схемы обладаютрасширенными функциональными возможностями. С учетом того, что предварительныеисследования характеристик модели СПД-100П показали, что на режимах работы сповышенными значениями удельных импульсов тяги существует возможность получатьдостаточно высокие тяговые характеристики, представленная схема была выбрана в качествебазовой для дальнейшего исследования особенностей работы и характеристик двигателейтакой схемы.1.4 Обзор методов и результатов исследования процессов,протекающих в струе СПДОдним из важных условий штатного использования СПД в составе ГКА с длительнымСАС является оценка взаимодействия плазменной струи, истекающей из СПД, с элементамиконструкции КА. Известно, что СПД создает вокруг себя искусственное плазменное облако,которое изменяет зарядовое состояние поверхностей КА, а также оказывает эрозионное,механическое и тепловое воздействие на элементы как спутника, так и самого двигателя.Поэтому с целью оценки взаимодействия СПД и КА в конце 1970-х гг.

в СССР былопроведено первое систематическое исследование струи СПД на расстояниях от срезадвигателя до 10м [59]. В этой работе были определены распределения плотности ионноготока в струе и плотности потока нейтральных частиц; энергетический спектр ионов итемпература электронов. В результате было установлено, что плотность ионного токаубывает по законуот двигателя; электронная температура медленно убывает сувеличением расстояния от двигателя и ее величина изменяется в пределах от ~1эВ возлесреза СПД до 0,15эВ на расстоянии 9м.

Также показано, что на основе распределения34энергии ионов можно сделать вывод о наличии в струе расширяющегося ядра с большойэнергией ионов, которая постепенно уменьшается в направлении периферии.Затем в начале 1990-х с целью обеспечения интеграции российских СПД сзарубежными КА были проведены дополнительные исследования струи двигателя СПД -100[60, 61]. В данных работах определялись угловые расходимости плотности ионного тока иэнергии ионов относительно оси двигателя. Данные о плотности ионного тока былиполучены с помощью зондов Фарадея ис помощью многосеточного зонда –энергоанализатора.распределенияБылиизмеренытакжеэнергииионов.Зондырасполагались на подвижной штанге, которая перемещалась по окружности с радиусом 1м ис центром, совпадающим с пересечением оси двигателя и выходной плоскости двигателя,как это показано на рисунке 1.12(а). Диапазон измерений по углу находился в пределах ±60 0относительно оси двигателя.

Результаты, полученные в данном исследовании (рисунок1.12(б)), показали, что 95% «быстрых» ионов пересекают контрольную поверхность впределах конуса с полууглом при вершине ~450. В то же время данные для распределенияэнергии ионов совпадают с результатами, полученными в предыдущих исследованиях [59], исвидетельствуют о существовании ионов с энергией, близкой к соответствующейприложенному разрядному напряжению в центре струи, и о низкоэнергетических ионах набольших углах относительно оси двигателя [60].(а)(б)Рисунок 1.12 (а) – Расположение зондов на поворотной штанге; (б) - Распределениеплотности ионного тока, измеренное многосеточным зондом с потенциалом наотсечной сетке 30В и 50В35По похожей схеме проводились исследования струй нескольких двигателей: ДАС Д-55(ЦНИИМаш), СПД-100 (две модели: первая – новая модель, вторая – отработавшая 6000часов; обе модели изготовлены в ОКБ «Факел») и Т-100 (испытания проходили тридвигателя разных поколений, разработанные в исследовательском центре им.

М.В.Келдыша), представленных в работе [61]. Система измерения была близка к той, чтоиспользовалась в работе [60], однако зонды перемещались в диапазоне ±1000 относительнооси двигателя и по окружности с радиусом 0,6м. В работе было проведено сравнениерасходимости струй всех перечисленных двигателей на номинальном режиме работы, врезультате чего установлено, что расходимости струи разных двигателей не имеют заметныхотличий. Затем исследовалось изменение формы струи и величины ионного тока приразличных разрядных напряжениях и расходах рабочего газа. Как ожидалось, при изменениирасхода РТ происходит эквивалентное изменение величины ионного тока, а форма струи приэтом остается практически неизменной.

Изменение разрядного напряжения в большейстепени влияет на величину ионного тока. Так при увеличении напряжения ионный токрастет, и на данной основе сделан вывод об увеличении доли многозарядных ионов. Кромесравнения расходимости струй данных двигателей в работе оценивалось влияние нарасходимость следующих факторов: остаточное давление в вакуумной камере, расходрабочего газа через катод и величина токов в катушках намагничивания. В результатевыявлено, что расход РТ через катод и величина токов в катушках намагничивания не влияетна расходимость струи. В то же время изменение остаточного давления в вакуумной камерепоказало, что с ростом давления увеличивается величина плотности ионного тока набольших углах относительно оси двигателя, что свидетельствует об интенсификациипроцессов перезарядки.Также необходимо обратить внимание на то, что, как и в исследовании [59], былиобнаружены ионные потоки за плоскость среза ускорительного канала.