Диссертация (Способы повышения тяговых характеристик стационарного плазменного двигателя на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги), страница 9

Аименно, для модели СПД-100 при Ud=300В разница составляет 60В, при напряжении 500В –90В, а при 900В разница уже достигает 110В [1]. На основе данного наблюдения авторсделал вывод об увеличении прианодного падения потенциала.Еще одним любопытным пунктом, на который необходимо обратить внимание,является результат измерения энергии ионов на больших углах. Так на рисунке 1.16(б)показана энергия ионов при угле 900, на котором видно доминирование в данной областиионов перезарядки. [72].Кроме рассмотренных ранее экспериментальных данных в работе [74] было проведеномоделирование струи двигателя, работающего на различных режимах.

Полученныерезультаты для приосевой области струи двигателя в целом совпадают с экспериментом, атакже и с некоторыми другими исследованиями [72]. Следует отметить, что для всех41режимов работы двигателя, смоделированных в данном исследовании, присутствуют четковыраженные радиальные и обратные ионные потоки в окрестности выходной плоскостиСПД (рисунок 1.17(а)).

Движение данных радиальных ионных потоков можно объяснитьпреимущественнопродольнымнаправлениемизоконцентралей,которыевпервомприближении являются эквипотенциальными линиями электрического поля, в результатечего напряженность электрического поля направлена преимущественно по радиусу. Поэтомуионы перезарядки под действием электрического поля ускоряются в радиальномнаправлении.

Как видно на рисунке 1.17(б) моделирование показывает доминированиеионов перезарядки на периферии струи двигателя на расстоянии 1-2 калибров (наружныйдиаметр двигателя) от оси двигателя.(а)(б)(в)Рисунок 1.17(а) – Линии уровня равной плотности ионов в продольном сечении длядвигателя типа СПД-100; (б) – Линии уровня равной относительной концентрации ионовперезарядки в продольном сечении; (в) - Распределение плотности тока «обратных»потоков ионов вдоль выходной плоскости двигателя СПД-100 на разных режимах егоработыРасчетная величина обратных ионных потоков на выходную плоскость двигателядостигает максимального значения на расстоянии 1-2 калибра от оси двигателя и затембыстро убывает с увеличением расстояния (рисунок 1.17(в)).42Однако ионы перезарядки не могут приобрести энергию порядка 100-200эВ,полученную в работе [68].

Поэтому представляло интерес продолжить исследованиепараметров ионов в радиальных потоках.Для построения полной картины, протекающих в струе двигателя процессов,необходимо учитывать то, что условия проведения наземных испытаний существенноизменяют параметры струи двигателя. Особенно это влияние заметно на периферии струи,откуда идет наибольший поток ионов на поверхности КА. Поэтому, с целью проверкидостоверности стендовых испытаний в 2000-2001гг были проведены натурные испытания надвух ГКА «Экспресс-А2» и «Экспресс-А3», в составе которых работает ЭРДУ из восьмиСПД-100 [75].

С помощью прямых измерений были определены следующие характеристикиструи двигателя: распределение плотности ионного тока, которое измерялось с помощьюзондов Фарадея, размещенных в различных местах спутника; энергия ионов измеряласьмногосеточными зондами, величина электрического поля и давление собственнойатмосферы спутника при работающем двигателе (рисунок 1.18(а)).В результате установлено, что энергия ионов на больших углах относительно осидвигателя, измеренная на «Экспрессах» больше, чем в стендовых условиях. Кроме того,распределение плотности ионного тока заметно ниже данных, полученных на земле(рисунок 1.18(б)).(а)(б)Рисунок 1.18 (а) - Расположение датчиков на борту ГКА «Экспресс-А3»; (б) –Зависимость плотности ионного тока от углаТаким образом, на основании проведенного анализа исследований струй СПДразличных конструкций и работающих на различных режимах можно сделать нескольковыводов. Во-первых, процессы, протекающие в основном потоке ускоренных ионов вприосевой области, достаточно хорошо изучены: результаты моделирования хорошосогласуются с экспериментальными данными, полученных как в стендовых условиях, так и в43натурных исследованиях.

В тоже время параметры струи на больших углах относительнооси двигателя выглядят противоречивыми. Так в некоторых экспериментальных итеоретических исследованиях говорится о преобладании на периферии струи ускоренныхрассеянных ионов со средней энергией [68, 69] тогда, как в других работах [63, 72, 74]отмечается присутствие только ионов перезарядки с энергией не более 50эВ. Такженеобходимо обратить внимание на то, что разница между стендовыми испытаниями инатурнымивнаибольшейстепенисказываетсянапериферийнойчастиструи.Следовательно, для более ясного понимания процессов, происходящих в этой области,необходимы дополнительные исследования.Значимость радиальных ионных потоков нельзя недооценивать. Они могут распылятьэлементы конструкции самого двигателя, а также подвергать эрозионному воздействиюнекоторые элементы КА, в частности, его солнечные батареи.

Так, примером негативноговоздействия данных потоков является эрозия поджигающих электродов катодов, как этопоказано на рисунке 1.19, что в конечном итоге может привести к выходу из строя катода.Рисунок 1.19 – Внешний вид катодов СПД-100после ~917 часов и после 7000 часов работыТакже является очевидным, что столь значительная эрозия электродов не может бытьвызвана ионами перезарядки, энергия которых не достигает 50эВ. Следовательно, врадиальных ионных потоках присутствуют ионы с энергией не менее 100эВ, ответственныхза распыление катодов.Поэтому исследование радиальных ионных потоков весьма актуально с прикладнойточки зрения.

Для этого необходимо определить энергетическую структуру радиальныхионных потоков, а также преимущественное направление движения высокоэнергичнойкомпоненты на различных режимах работы.Также следует проработать механизмы защиты катодов от ионного распыления,начиная от простого способа перемещения катода в зоны с минимальной величиной энергииионов в радиальных потоках, а также рассмотреть возможность защиты катода путем егоэкранирования. При этом необходимо обратить внимание на эффективность работыдвигателя, так как установлено [76], что положение катода относительно анодного блока44существенно влияет на величину потенциала катод – земля, что, в свою очередь, влияет навеличину разницы потенциалов, непосредственно идущей на ускорение ионов.1.5 Цели и основные задачи диссертационной работыС учетом изложенного выше в качестве основных целей в диссертационной работебыли определены следующие: выявление особенностей работы двигателей с магнитным экраном внутри разряднойкамеры на режимах работы с высокими удельными импульсами тяги; оптимизация конструкции двигателей с магнитным экраном внутри разряднойкамеры, схемы питания разряда и режимов работы с высокими удельными импульсами тягис целью повышения тяговых характеристик и разработки рекомендаций по проектированиюдвигателей такой схемы для работы на режимах с высоким удельным импульсами тяги; определение параметров ионов в радиальных ионных потоках, движущихся вокрестности выходной плоскости СПД, где обычно располагаются катоды; проверка возможности защиты катода от ионного распыления путем его переноса засрез ускорительного канала двигателя и определение влияние такого переноса на тяговыехарактеристики двигателя.Для достижения этих целей необходимо было решить следующие задачи:1.Провести исследование характеристик и выявить особенности работывыбранной схемы на режимах работы с высоким удельным импульсом тяги.2.Провести оптимизацию конструкции и схемы питания разряд в СПДвыбранной схемы и разработать рекомендации по выбору схемы, параметров конструкции ирабочих режимов СПД с высоким удельным импульсом тяги.3.Провести экспериментальное исследование параметров радиальныхионных потоков в окрестности выходной плоскости СПД на различных режимах работы.4.Установить влияние на тяговые характеристики СПД перемещениякатода за выходную плоскость и его экранирования с целью защиты катода от ионногораспыления.45ГЛАВА 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ОСОБЕННОСТЕЙРАБОТЫ МОДЕЛЕЙ СПД-100П И СПД-85П НА РЕЖИМАХ С ВЫСОКИМУДЕЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ ТЯГИ2.1. Описание экспериментальной установки и методик исредств измерения интегральных параметров моделей2.1.1. Описание вакуумного стенда У-2В-1Исследования характеристик моделей СПД проводились в вакуумной камере (рисунок2.1), объем которой составлял около 11м3 (диаметр - 2м и рабочая длина – 3,5м).

Камераоснащена шестью высоковакуумными криогенными насосами Velco 630Xe с суммарнойскоростью откачки более 100000л/с. Для удаления водорода, гелия и неона, которые неоткачиваются криогенными насосами, вакуумная камера оборудована турбомолекулярнымнасосом FT-6300WH фирмы Shimadzu. Для создания предварительного разряженияиспользуется «сухой» форвакуумный насос типа Рутса iH1000 DOC Edwards. В итоге даннаяконфигурация средств откачки позволяет получить статическое давление в вакуумнойкамереТорр., а при расходах ксенона 2-5мг/с динамический вакуум в камередостигаетТорр.

Измерение давления в вакуумной камере стендапроизводится высоковакуумными датчиками PKR 251 фирмы Pfeiffer.Дляопределениятягоизмерительноеинтегральныхустройство(ТИУ),характеристикпринципдвигательдействияустанавливалсякоторогооснованнанаэлектромагнитной компенсации отклонения маятника подвески двигателя от следящегомаятника, установленного строго по вертикальной оси. Диапазон измерения тяги от 0 до200мН с ошибкой измерения ±2мН.Система питания двигателей ксеноном имеет две независимые системы подачи иконтроля расхода, основанные на использовании стандартных контроллеров, произведенныхкомпанией MKS Instruments.

При этом в магистрали подачи ксенона в катод создаетсяизбыточное давление (0,5-1,0) атмосферы путем установки дозатора на входе магистрали ввакуумную камеру с целью предотвращения отравления катода атмосферным воздухом. Ванодной линии подачи диапазон изменения расхода РТ составлял 0-10мг/с. Оценкапогрешности измерения расхода РТ была произведена весовым способом при взвешивании46баллона с ксеноном до калибровки и после. Калибровка осуществлялась при величинерасхода ксенона 5мг/с в течение 10ч.