Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 8

Авторы сделалипредположение, что данные «обратные» ионные потоки образуются в результате упругогорассеяния ускоренных ионов на нейтральных частицах и на медленных ионах.Несколько позже в НИИ ПМЭ МАИ было проведено детальное исследованиепараметров струи СПД-70 [62], в котором также определялось влияние остаточного давленияв вакуумной камере на расходимость струи, среднюю энергию ионов в струе и на локальныепараметры плазмы на расстоянии 0,7м от двигателя. В результате установлено, что с ростомдавления в камере расходимость струи постепенно уменьшается (рисунок 1.13(а)).Также установлено, что с увеличением давления происходит снижение среднейэнергии ионов на больших углах относительно оси двигателя (рисунок 1.13(б)).36Данное обстоятельство объясняется увеличением плотности нейтральных атомов насрезе двигателя, что ведет к деформации эквипотенциальных линий в выходной частиускоряющего слоя, сдвигая его в направлении анода и, тем самым, уменьшая расходимостьпотока ускоренных ионов.

В тоже время максимум средней энергии ионов практически неизменяется при разных значениях давления. Отмеченное явление можно объяснить тем, чтоионы с максимальной энергией рождаются ближе к аноду и двигаются по параллельным осидвигателя траекториям и, следовательно, на их движении в меньшей степени сказываетсяувеличение концентрации нейтральных атомов на срезе двигателя.(а)(б)Рисунок 1.13 (а) – Зависимость полуугла расходимости струи СПД-70 от давления ввакуумной камере; (б) - Средняя энергия ионов относительно оси двигателяВ рассматриваемом исследовании было установлено также, что концентрация ионов вструе двигателя в стендовых условиях, главным образом, формируется за счет ионовперезарядки.

Движение данных медленных ионов определяется электрическими полями вструе, которые возникают за счет разности потенциалов плазмы с максимумом в центреструи и постепенным уменьшением в направлении периферии, из чего следует, что ионыперезарядки двигаются преимущественно в радиальном направлении и за плоскость срезадвигателя, формируя так называемые «обратные» ионные потоки. Для оценки величиныобратныхионныхпотоковиспользоваласьсистемаплоскихзондов,собирающиетакжеприменяютсяповерхности которых находились в выходной плоскости СПД.Кромепрямыхметодовдиагностикипараметровструибесконтактные методы измерения.

Например, в [63] скорости ионов на выходе из двигателяопределялась с помощью лазера. Данный метод измерения скорости ионов основан нарегистрации индуцированного лазером свечения с использованием эффекта Допплера.Данным способом определялась осевая, радиальная и азимутальная скорости ионов нарасстоянии 11мм от среза двигателя для первых двух типов скоростей, а азимутальная37скорость измерялась на срезе двигателя.

В результате было установлено, что азимутальнаяскорость достигает 250м/с, а осевая изменяется в диапазоне 12,7-15,8км/с при разрядномнапряжении 250-350В. Изменение радиальной скорости имеет более сложный характер изависит от радиального положения точки измерения относительно середины кольцевогоускорительного канала. Так максимальной величины 7,5км/с радиальная скорость достигаетна расстоянии 8мм от середины ускорительного канала в направлении наружного полюса.Стоит отметить, что максимальное значение радиальной скорости достигнуто в крайнейточке измерения и, возможно, если бы измерения были продолжены в сторону наружногополюса, радиальная скорость была бы больше.Наиболее полное исследование струи СПД-100 проведено в работах [64 - 68].

Так былипроведены описанные выше методы измерения струи, результаты которых совпали с новымиданными. Также было получено распределение потока нейтральных атомов в струедвигателя, определенного прямым методом с помощью детектора нейтральных частиц.Измерение показало, что наибольшее количество нейтральных частиц приходится на ядроструи в пределах ±100 от оси двигателя.Кроме того, было произведено измерение энергии ионов в струе двумя методами.

Вопервых, энергия ионов определялась с помощью широко используемого многосеточногозонда – энергоанализатора, а затем - с помощью сконструированного в Мичиганскомуниверситете молекулярного масс-спектрометра. В целом результаты измерений двумяспособами достаточно близки, однако есть некоторые различия: так обнаружено, что приуглах в диапазоне ±5-100 значительную часть ионного потока составляют ионы с энергией~500эВ, что существенно больше приложенной разности потенциалов в 300В, а при углах~100 от оси двигателя данные ионы доминируют (рисунок 1.14(а)).

Подобный результат спомощью многосеточного зонда получить не удавалось.Также с использованием масс-спектрометра установлено, что при отклонении от осидвигателя на 600 в струе появляются ионы с энергией порядка 100эВ, доля которых сувеличением угла постепенно растет и на 800 данная компонента уже преобладает наддругими.

Одновременно с этим, за плоскостью среза двигателя присутствуют ускоренныеионы с энергией до 230эВ. При отклонении более 1200 преобладают ионы перезарядки(рисунок 1.14(б)).38(а)(б)0Рисунок 1.14 (а) – Энергия ионов в струе СПД-100 между 7-20 относительно осидвигателя на расстоянии 1м; (б) - Наиболее вероятная энергия ионов в зависимостиот угла относительно оси двигателя на расстоянии 0,5м и 1мДля объяснения факта присутствия ускоренных ионов на углах порядка ±90 0 и заплоскостью среза двигателя было выдвинуто предположение об упругом рассеянииускоренных ионов на нейтральных частицах и других ионах, и сделан вывод, что именноданныеионыформируютвысокоэнергичнуючастьрадиальныхионныхпотоков.Представленная в этой работе [69] модель описывает процессы, протекающие врасходящемся основном потоке ускоренных ионов, в том числе, процессы перезарядкиускоренных ионов на нейтральных частицах, которые присутствуют как в струе двигателя,так и на нейтральных частицах фоновой атмосферы в вакуумной камере.

Также в работемоделируются потоки рассеянных ионов и их энергетический спектр, на которые, по мнениюавторов, приходится большинство ионов с энергией более 50эВ при углах более 45 0.Полученный результат сравнивался с данными экспериментального исследования струиамериканского двигателя ВРТ-4000 на режиме работы с разрядным напряжением Ud=300B(рисунок 1.15) [70].Измерения энергии ионов в зависимости от угла относительно оси двигателя показали,что на производной кривой задержки на углах порядка 350 присутствует четко выраженныйпик ионов с энергией около 150эВ, который является сигналом рассеянных ускоренныхионов. Моделирование потоков рассеянных ионов подтвердило данный вывод, что можноувидеть на рисунке 1.15, где пунктирными линиями показаны распределения энергийосновного потока ускоренных ионов и потока рассеянных ионов.

Бесспорно то, что на углах350 - 700 количество рассеянных ионов значительно, однако на 800 – 1000 данноеутверждение не может быть столь категоричным по причине того, что во всех приведенных39исследованиях средства измерения располагались на слишком большом расстоянии отдвигателя. Подобное расположение может сильно исказить картину происходящегонепосредственно вблизи двигателя ввиду того, что на удалении присутствуют ионы,попавшие туда из других областей струи двигателя.

К тому же упор только на одинмеханизм при объяснении присутствия ионов с энергией больше 50эВ в радиальных потокахпредставляется однобоким.Рисунок 1.15 – Сравнение результатов моделирования с даннымиэнергетического анализа струи ВРТ-4000 на 350 относительно оси двигателяВ качестве примера попытки найти другой механизм формирования высокоэнергичныхионов на больших углах можно привести исследование [71]. В данной работе изучаласьвозможность появления высокоэнергичных ионов в радиальных ионных потоках за счетколебания потенциала плазмы в ускорительном канале, в результате чего за срезомдвигателя может возникнуть значительная разность потенциалов в радиальном направлении.Однако математическое моделирование показало, что с помощью данного механизма можнообъяснить появление в радиальных потоках ионов с энергией ~100эВ, в то время какпроблема возникновения ионов с энергией до 220эВ (при Ud=250В), которые былиобнаружены в ходе экспериментального исследования, остается нерешенной.С началом систематических исследований СПД, работающих при повышенныхразрядных напряжениях, появилась необходимость детальных исследований струи такихдвигателей еще на этапе их разработки.

Известно, что большая расходимость струи СПДявляется его серьезным недостатком, а при увеличении разрядного напряжения и,следовательно, энергии ионов данный фактор становится критически важным. Так в работе[72] проводилось теоретическое и экспериментальное изучение струи двигателя ВНТ-1500,работающего в диапазоне разрядных напряжений 300-1000В. В результате былоустановлено, что с увеличением напряжения повышается эффективность ионизациирабочего тела, о чем можно судить по увеличению ионного тока в приосевой части струи.40Также с ростом напряжения разряда наблюдается сужение струи на периферии, что ведет куменьшению полуугла расходимости (рисунок 1.16(а)).(а)(б)Рисунок 1.16 (а) – Зависимость полуугла β0,95 от разрядного напряжения; (б) Распределение энергии ионов при угле -900 при различных разрядных напряженияхПохожий результат был получен в НИИ ПМЭ МАИ при исследовании струйразличныхдвигателей,работающихнаповышенныхразрядныхнапряжениях:высоковольтные лабораторные модели PPS-1350, СПД-100 и СПД-140М [73].

Также в этихработах проводился энергетический анализ струй двигателей в зависимости от угланаправления измерений относительно оси двигателя с использованием многосеточногозонда – энергоанализатора.Так было установлено, что с увеличением разрядного напряжения происходитувеличение разницы между потенциалом, характеризующим максимальное значениесредней энергии ионов в струе, и величиной приложенного разрядного напряжения.