ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 10, с. 937-945
УСКОРИТЕЛИ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.07
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ИОНОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ ВБЛИЗИ ВЫХОДА ИЗ УСКОРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ © 2014 г. В. П. Ким, А. С. Архипов, А. М. Бишаев, Д. В. Меркурьев, Е. К. Сидоренко
Национальный исследовательский университет "Московский авиационный институт", Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики, Россия
e-mail: riame4@sokol.ru Поступила в редакцию 22.01.2014 г.
Окончательный вариант получен 14.04.2014 г.
Проведены измерения направленных ионных потоков на плоскость, в которой располагается выходное сечение ускорительного канала одной из моделей стационарного плазменного двигателя. Использовались размещенные в этой плоскости электростатические зонды, приемную поверхность которых можно было ориентировать "к струе" или от струи. По полученным данным осуществлена оценка так называемых "обратных" потоков ионов на названную плоскость, сформированных ионами перезарядки, и показано, что величина обратных потоков ионов максимальна в ближайшей окрестности двигателя, но не превышает в ней 0.6% от полного тока ионов, истекающих из двигателя. Проделаны также расчеты формирования ионных потоков вблизи выхода из ускорительного канала стационарного плазменного двигателя с использованием кинетической модели для описания динамики ионов и нейтральных атомов, истекающих из ускорительного канала и рождающихся в струе двигателя, в стационарной трехмерной постановке. Учитывалась резонансная перезарядка ионов на нейтральных атомах. Получено распределение плотности "обратных" токов ионов на упомянутой выходной плоскости. Показано влияние расхода рабочего газа из катода на формирование концентрации нейтральных атомов и потоков ионов перезарядки. Полученные данные представляют интерес при анализе воздействия струи плазмы, истекающей из работающего двигателя, на зарядовое состояние поверхностей, расположенных в окрестности двигателя.
DOI: 10.7868/S0367292114090030
1. ВВЕДЕНИЕ
Стационарные плазменные двигатели (СПД) успешно используются для управления движением космических аппаратов (КА) как в отечественной, так и в зарубежной космической технике. Практика их применения в космосе показала, что поток плазмы, истекающий из двигателя, может оказывать значительное влияние на зарядовое состояние элементов конструкции КА. Кроме того, ионы, истекающие из двигателя или образовавшиеся в его струе, могут оказывать заметное эрозионное воздействие на попадающие в струю элементы конструкции КА, а также на элементы конструкции самого двигателя. Поэтому представляет интерес изучение закономерностей формирования параметров плазмы и направленных потоков ионов из струи двигателя, в том числе так называемых "обратных" потоков ионов из струи на плоскость, в которой находится выходное сечение двигателя. В НИИ ПМЭ МАИ были проведены измерения пространственных распределений обратных потоков ионов к плоскости двигателя, в которой находится выходное сечение ускорительного канала ("выходная" плоскость).
С целью получения данных для объяснения выявленных особенностей распределения обратных потоков ионов в окрестности выходной плоскости СПД проведены также расчеты формирования потоков ионов в периферийной зоне струи и пространственных распределений концентрации компонент плазмы в ближайшей окрестности двигателя, включая распределения концентрации ионов перезарядки. Результаты описаны в последующих разделах статьи.
2. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Стационарные плазменные двигатели были созданы на основе плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП). Принципиальная схема и первые модели этих двигателей были разработаны в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова под руководством А.И. Морозова. История разработки СПД как изделий космической техники детально изложена в работах [1, 2].
СПД (рис. 1) представляет собой устройство с кольцевым ускорительным каналом, ограничен-
5
937
Рис. 1. Принципиальная схема СПД. 1 — анод, 2 — катод- нейтрализатор, 3 — разрядная камера. 4 — наружный полюс магнитной системы, 5 — катушки намагничивания, 6 — внутренний полюс магнитной системы, 7 — магнитопровод, 8, 9 — стенки разрядной камеры, ограничивающие ускорительный канал.
Н-Н 4-Н
- 1_ п1 1 1 II 1 1 1 1 [ 1 1
2 \ 1 1 I /
* II[ 1[ 11 и
Рис. 2. Схема измерений по исследованию "обратных" ионных потоков лабораторной модели двигателя СПД-140. 1 — СПД, 2 — тягоизмерительное устройство, 3 — линейка зондов, 4 — зонд-энергоанализатор и зонд Ленгмюра.
ным диэлектрическими (керамическими) стенками разрядной камеры. В его глубине которого размещен анод, через который в канал обычно подается рабочее вещество (в данном случае ксенон). В ускорительном канале с помощью магнитной системы создается квазирадиальное магнитное поле, а между анодом и катодом-нейтрализатором, размещаемым вне ускорительного канала, прикладывается так называемое разрядное напряжение. После зажигания разряда в ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле, и разряд горит в скрещенных электрическом и магнитном полях.
При подборе оптимальных расхода рабочего вещества, магнитного поля и напряжения разряда удается реализовать достаточно эффективную ионизацию потока рабочего вещества и ускорение образовавшихся ионов. Так, удается получить среднюю энергию ионов порядка 0.8 от достижимой энергии однозарядных ионов при приложенном разрядном напряжении, кинетическую мощность потока ускоренных ионов в струе порядка 60—80% от мощности разряда [2].
Струя СПД содержит ускоренные ионы и нейтральные атомы, поступающие в нее из ускорительного канала вследствие неполной переработки потока атомов в ионы. Для оптимизированных режимов работы доля нейтральных атомов составляет 5—10% от полного потока атомов через ускорительный канал. Кроме того, нейтральные атомы поступают в струю из нейтрализатора, представляющего собой проточный полый катод (см. рис. 1). При работе в установившемся режиме из катода истекает поток слабоионизованной плазмы. Типичное значение расхода рабочего газа, в данном случае ксенона, через катод составляет около 5—10% от расхода через ускорительный канал, т.е. поток нейтральных атомов из ка-
тода сопоставим с потоком атомов из ускорительного канала двигателя. Спецификой этого потока является его "точечное" поступление в струю.
Исследования параметров ускоренного потока ионов и распределений параметров плазмы в струях нескольких моделей СПД проводились в ряде работ [2—6], в том числе и в работах НИИ ПМЭ МАИ, где измерения проводятся в вакуумной камере с внутренним диаметром 2 м и рабочей длиной не менее 3 м. Измерения пространственных распределений плотности тока ускоренных ионов и распределений ионов, движущихся в струе по различным направлениям, по энергии осуществляются с помощью электростатического энергоанализатора, перемещаемого в плоскости, содержащей ось двигателя, вдоль окружности радиусом Я = 0.5—0.7 м (в зависимости от размера двигателя) и с центром в точке пересечения выходной плоскости двигателя с его осью (рис. 2, [2]). Измерения показывают, что в оптимизированных режимах работы суммарный ток ионов, истекающих из двигателя, составляет обычно около 0.8 от разрядного тока и примерно 0.85—0.95 от тока ионов, соответствующего полной переработке в однозарядные ионы потока атомов, поданных в ускорительный канал [2].
По СПД выполнено большое число работ, в них разработаны и исследованы двигатели разных конструктивных схем. Следует отметить, что разработаны и исследованы также многие модификации родственных СПД двигателей с анодным слоем (ДАС). Значительная часть изучавшихся схем СПД и ДАС рассмотрена в [2]. Заметим, что проблемы, рассматриваемые в настоящей статье, характерны как для СПД, так и для ДАС.
Л, мА/см2 1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2
-■--га = 300 е , т = 6.43 мг/с
— га = 350 е , т = 6.43 мг/с
- — га = 300 е , т = 5.64 мг/с
_ --1Д -■-га = 350 е , т = 5.64 мг/с
\\ *Д
- ч\ 1 1
200 400 600 800
1000
Л, мА/см2 1.4 г
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2
200
- Ш = 300 В, т = 6.43 мг/с т = 350 В, т = 6.43 мг/с Пй = 300 В, т = 5.64 мг/с Пй = 350 В, т = 5.64 мг/с
400
600
800 1000 Я, мм
Рис. 3. Изменение ионного тока на зонды, расположенные на разных радиусах, с собирающей поверхностью, обращенной "от струи" лабораторной модели СПД-140.
Рис. 4. Изменение ионного тока на зонды, расположенные на разных радиусах, с собирающей поверхностью, обращенной "к струе" лабораторной модели СПД-140.
В данной работе мы имели дело с лабораторной моделью двигателя типа СПД-140 с наружным диаметром ускорительного канала 140 мм и номинальной мощностью 4.5 кВт, имеющей аналогичную летным образцам СПД конструктивную схему. Оценка обратных потоков ионов из струи лабораторной модели, работающей в режимах с расходами ксенона через ускорительный канал 5.6—6.4 мг/с и разрядных напряжениях ий = 300—350 В, была осуществлена для плоскости, в которой расположено выходное сечение двигателя. При этом давление в вакуумной камере было (5—6) х 10-5 мм. рт. ст., а длина свободного пробега ионов ксенона до их перезарядки — наиболее интенсивного процесса преобразований состава струи — составляла величину порядка 1.3—1.5 м.
При попадании ускоренных ионов на стенки вакуумной камеры возможно образование вторичных ионов. С учетом того, что стенки очищаются бомбардировкой ионов, можно оценить величину суммарного ионного потока со стенок, используя коэффициенты вторичной ионно-ион-ной эмиссии для чистых металлических поверхностей. Эти оценки показывают, что суммарная величина потока ионов со стенок значительно меньше тока ионов перезарядки. Таким образом, условия проведения измерений в ближайшей окрестности двигателя представляются приемлемыми. И, как будет показано в дальнейшем, величина обратных токов максимальна именно в такой окрестности.
Измерения обратных токов ионов были выполнены с использованием гребенки плоских элект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.