ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 5, с. 670-676
УДК 537.52.621.384
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОГО НЕСАМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ
© 2013 г. А. Н. Ермилов, В. Ф. Ерошенков, Д. Н. Новичков, Ю. А. Коваленко, Т. М. Сапронова,
С. В. Королёв, Т. В. Чернышёв, А. П. Шумилин
Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский электротехнический институт
им. В.И. Ленина, Москва E-mail: thambsup@gmail.com Поступила в редакцию 31.07.2012 г.
Серия экспериментов, проведенных на макете холловского двигателя с анодным слоем при использовании термоэмиссионных катодов в качестве катодов-компенсаторов, позволила определить область существования несамостоятельной формы разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях при различных значениях анодного напряжения, магнитного поля и расхода рабочего тела. В соответствии с механизмом токопереноса электронов и характером колебаний тока выделено два резко различающихся, в том числе и визуально, режима горения разряда — "ускорительный" и "стохастический".
DOI: 10.7868/S0040364413050050
ВВЕДЕНИЕ
В работе рассматривается горение интенсивного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в холловском электрореактивном двигателе. Двигатель такого типа представляет собой азимутально-симметричное устройство, где разряд горит в кольцевом канале, образованном полюсами магнитопровода. Обычно анод выполнен в виде полости, через которую подается рабочий газ (двигатель типа ДАС (TAL) [1]), или в виде плоского кольца, установленного в диэлектрическом канале, в слабом магнитном поле (двигатель типа СПД (SPT) [2]), а роль катода играет облако запертых в магнитном поле электронов. Эти электроны осциллируют в электрическом поле между катодной и анодной областями разряда, формируя холловский ток, замкнутый в азимутальном направлении. Средняя кинетическая энергия холловских электронов существенно больше порога ионизации атомов рабочего тела, поэтому в разряде такого типа реализуется практически полная ионизация, т.е. происходит интенсивное выгорание атомов. Образовавшиеся ионы ускоряются в электрическом поле и покидают разрядный канал, создавая реактивную тягу. В результате столкновений и неустойчивостей некоторая часть электронов, захваченных в катодной области разряда, уходит на анод, формируя сквозной электронный ток. Для поддержания этого тока необходим источник электронов. В случае, если используется внешний источник
электронов (катод-компенсатор), разряд является несамостоятельным. При отсутствии катода-компенсатора и больших напряжениях возможно возникновение самостоятельного разряда. В этой работе ограничимся рассмотрением только несамостоятельного разряда.
Полный (анодный) ток разряда складывается из сквозного электронного тока (поступающего с катодной области разряда) и тока вторичных электронов, появившихся в результате ионизации потока рабочего тела, поступающего через анод. Ток вторичных электронов ограничен расходом рабочего тела и не может значительно превышать его, поэтому превышение полного тока над расходом в основном определяется сквозным электронным током. Из многочисленных источников [3—7] известно, что сквозной электронный ток может составлять 20—50% от полного тока и в значительной мере определяет КПД такого двигателя. В данной работе не дается подробного анализа причин, приводящих к увеличению сквозного тока.
Из экспериментальных наблюдений известно, что этот разряд всегда является нестационарным [8]. Самая большая модуляция разрядного тока происходит в диапазоне 104—105 Гц — это "ионизационные" автоколебания. Кроме того, известно, что наряду с режимами штатной работы в двигателях данного типа существуют некоторые аномальные режимы, в которых ток разряда значительно превышает ток ускоренных ионов, а тяга
Рис. 1. Схематический чертеж (а) и внешний вид (б) макета ХРДПУ.
мала. Целью работы является определение области параметров интенсивного несамостоятельного разряда (напряжение, расход рабочего тела, величина магнитного поля), в которой реализуется стабильный режим ионизации и ускорения и определение границы его существования. В дополнение приведены некоторые результаты исследования макета двигателя с плоским анодом.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Эксперименты производились в вакуумной камере, длина которой составляла 1500 мм, а диаметр — 500 мм. Стендовая система откачки обеспечивала остаточное давление Р0 = 2 х 10-5 Тор. В качестве рабочего тела использовался ксенон. При установленных расходах через анод в токовых единицах О ~ 0.5—1.5 А (1 А эквивалентен 15 8ССМ = 6.25 х 1018 частиц/с) его парциальное давление много больше остаточного и определяется с помощью соотношения Ре = 3£> х 10-4/2.71 Тор. Тяга двигателя измерялась с помощью тягомера ИТ-20. Так как используемый тягомер подвержен температурному дрейфу нуля, то измерения тяги производились в момент выключения двигателя, в этом случае погрешность измерения составляла А?1 = ±0.15 грамм-силы (1 грамм-силы = 9.8 мН). Использовался макет ХРДПУ (холловский реактивный двигатель с полым анодом усовершенствованный), представляющий собой модифицированный вариант макета, описанного в [9, 10]. Схематический чертеж и внешний вид макета показаны на рис. 1. Анод и защитные экраны магни-топровода выполнены из пироуплотненного графита. Рабочий газ (ксенон) поступает в анодную полость через пористую углерод-углеродную диафрагму. Средний радиус разрядного канала — 22.5 мм, высота анодной полости — 3 мм, расстояние от среза анода, до торца двигателя — 7 мм.
В качестве катода-компенсатора использовались от одного до четырех торцевых термоэмиссионных катодов с плоским эмитером из ЬаВ6 диаметром 12 мм, с косвенным накалом. Схема подключения двигателя и схема электрических измерений приведена на рис. 2. В качестве источника питания использовался стабилизированный по напряжению источник питания с защитой от перегрузки по току (не более 8 А). В цепи источника установлен ^С-фильтр 40 Ом, 100 мкФ. "Минус" источника питания (катодная точка) гальванически связан со стенками вакуумной камеры и заземлен, в этом случае камера выступает в качестве цилиндра Фарадея и (частично или полностью) осуществляет токовую компенсацию, а термоэмиссионный катод служит в основном для восполнения потерь электронов, уходящих на анод и нейтрализацию плавающего потенциала катодной плазмы. Заметим, что плотность тока с термоэмиссионного катода, помещенного в плазму, ограничена сверху пространственным зарядом эмитированных электронов и определяется током ионов, поступающим на него из катодной плазмы. Таким образом, электронная и
ионная компоненты тока соотносятся как Ы/ш (М — масса иона, т — масса электрона), т.е. при больших значениях эмиссионного тока отбираемый с катода ток меньше тока насыщения.
Плавающий потенциал катодной плазмы фр1 измерялся подвижным ленгмюровским зондом в виде плоского диска 0 = 7 мм. С помощью шунтов с гальванической развязкой ЬЕМ LA-25NP определялись полный ток разряда 1А; ток, протекающий через цепь катода, 1е; токи через магни-топровод 1к и стенки вакуумной камеры I. Напряжение между катодной точкой двигателя и анодом обозначим фА.
Режим горения разряда определяется тремя параметрами: расходом газа О, максимальным
чЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧХ^
+
о
т
X
I
А
к
е
Рис. 2. Схема электрических измерений двигателя.
значением магнитного поля в разрядном канале Нтах и ускоряющим напряжением. Так как источник электронов связан с двигателем через практически эквипотенциальную незамагниченную катодную плазму, то за ускоряющее напряжение
примем разность потенциалов фА—. В качестве выходных параметров будем рассматривать анодный ток 1А и тягу Г. Горение интенсивного разряда в двигателе сопровождается колебаниями разрядного тока и потенциала пространства в широком диапазоне частот [11]. По характеру колебаний, величине тока и тяги можно выделить два характерных режима горения: "ускорительный" и "стохастический".
Для детального определения области существования "ускорительного" режима горения разряда в координатах (Нтах; фА—ф^/) были сняты серии маг-нитоамперных характеристик. На рис. 4а представлены зависимости анодного тока от магнитного поля. Видно, что имеют место плавный спад тока с увеличением магнитного поля и резкий рост при пересечении некоторого критического значения. Кроме того, представлена зависимость
2
отношения измеренной тяги Г к расчетной Гса1с =
0/е^
2е(фА - фР1) М (рис. 4б). Можно видеть, что в "ускорительном" режиме тяга практически не зависит от магнитного поля и определяется ускоряющим напряжением.
"УСКОРИТЕЛЬНЫИ" РЕЖИМ
Рассмотрим первый режим — режим нормальной работы, условно названный здесь "ускорительным". Он характеризуется стационарным поведением тяги, малым плавающим потенциалом и стабильными "ионизационными" автоколебаниями тока (рис. 3а) на пролетной частоте [12], которую легко оценить как
е Нтах и а
тс V/
где е — элементарный заряд, с — скорость света, иа =
= у1 2кТА/ п М « 1.4 х 104 см/с — тепловая скорость атомов, поступающих с анода (ТА « 500 К — температура анода, к — константа Больцмана), =
= д/2е [фА - фР1 ]/т — характерная скорость электронов. Также наблюдались колебания малой амплитуды в области частот 0.1—10 МГц.
ОБЛАСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ "УСКОРИТЕЛЬНОГО" РЕЖИМА. "СТОХАСТИЧЕСКИЙ" РЕЖИМ
При фиксированных значениях расхода газа и ускоряющего напряжения "ускорительный" режим существует в ограниченной области значений магнитного поля. Существует некоторое критическое значение магнитного поля, соответствующее минимуму анодного тока, при превышении которого колебания разряда значительно усиливаются и при дальнейшем увеличении магнитного поля скачкообразно меняют свой характер, — этот режим назовем "стохастическим".
На рис. 5 представлены параметрические кривые, определяющие границу существования "ускорительного" режима горения разряда для четырех расходов газа. "Ускорительный" режим горения реализуется в области слева от кривой, "стохастический" — справа.
1 В данных условиях плавающий потенци
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.