ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 3, с. 375-380
УДК 533.9.03
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАКЕТА ХОЛЛОВСКОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОЛЫМ АНОДОМ © 2013 г. Д. Н. Новичков, А. Н. Ермилов, Т. М. Сапронова, Т. В. Чернышев
Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина, Москва E-mail: thambsup@gmail.com Поступила в редакцию 03.07.2012 г.
Для измерения тяги макета холловского реактивного двигателя с полыми анодом использовался тягомер типа ИТ-20, принцип действия которого основан на автоматической компенсации силы тяги двигателя усилием, развиваемым магнитоэлектрическим компенсатором в цепи отрицательной обратной связи. Были получены зависимости тяги от разрядного напряжения и величины магнитного поля. Показано существование колебаний в разрядном токе, согласующееся по частоте с пролетными колебаниями нейтралов, что может оказывать влияние на расхождение расчетных значений тяги с измеренными тягометром величинами.
ВВЕДЕНИЕ
Работа посвящена прямым измерениям тяги на макете холловского реактивного двигателя с полым анодом, подробно исследованном в [1]. Проблема прямых измерений тяговых характеристик холловских двигателей не является новой. Впервые подобные измерения были проведены в [2], следующие результаты аналогичных измерений опубликованы в работах [3—5]. Однако авторы сталкивались с проблемой дрейфа нуля и измерения не всегда носили убедительный характер.
Для измерения тяги в вакуумной камере был смонтирован тягомер типа ИТ-20. Принцип действия тягомера основан на автоматической компенсации силы тяги двигателя усилием, развиваемым магнитоэлектрическим компенсатором в цепи отрицательной обратной связи. Следящая система построена по принципу пропорционального интегро-дифференциального регулирования (ПИД-регулятор) с астатизмом первого порядка. Такое решение позволяет реализовать в системе полную компенсацию тяги без статической ошибки и, следовательно, исключить отклонение маятника подвески двигателя от нулевой точки в процессе измерений. Это, в свою очередь, обеспечивает отсутствие пластических деформаций силовых токоподводов электропитания двигателя и трубопроводов газовых магистралей, в основном влияющих на характеристики дрейфа нуля и диапазон калибровки тягомера. При этом, когда тяга двигателя воздействует на маятник подвески и стремится отклонить его от положения равновесия, оптический датчик генерирует напряжение постоянного тока, пропорциональное уровню отклонения маятника. Калибровка тяги в единицах грамм-силы (1 гс = 9.8 мН) осуществляется
с помощью механизма взвешивания эталонного груза, вес которого равен 2 г.
Однако первые эксперименты с измерителем тяги ИТ-20 показали, что происходит значительный дрейф "нуля", который можно корректировать или вручную, или с помощью вспомогательной программы. Для этого необходимо отключить питание двигателя на время, достаточное для записи на компьютере через коммутатор показания тягомера, а затем вручную установить "0". После включения разряда автоматически запускается программа коррекции предыдущих значений тяги, сохраненных в компьютере.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Геометрия разрядного канала ХРДП показана на рис. 1. Особенностью данного макета является анодный блок из графита с пористой диафрагмой газоподачи с отверстиями размером порядка микронов, обеспечивающими равномерное распределение рабочего тела (Хе). Отверстия нужного размера в пористой диафрагме из графитового войлока и заделка стыков ее соединений с телом анода производилась с помощью длительного (10 ч) пиролиза [6]. Второй особенностью данного макета является наличие короткой анодной полости, что существенно снижает пульсации разрядного тока за счет ухода вторичных электронов вдоль силовых линий магнитного поля и увеличения классической проводимости за счет спадающего магнитного поля вблизи анода.
Схема подключения двигателя и электрических измерений приведена на рис. 2. Между катодом (корпус двигателя) и анодом (система газоподачи и полый анод) разность потенциалов — фА.
Рис. 1. Геометрия ХРДП.
Рис. 2. Схема подключения ХРДП.
/+, А 5
4
3 2 1
0
50 70 100 150 200
250 300 Фа в
Рис. 3. Зависимость I+ от фа при Q = 2.18 А и различных магнитных полях: 1 - 70 Э, 2 - 150, 3 - 200, 4 - 350.
Измеряются следующие токи: ток разряда 1А, ток, протекающий между корпусом и катодной точкой двигателя 1к, ток в цепи катода компенсатора (КК) 1е и ток между корпусом вакуумной камеры
(заземленная точка) и катодом двигателя I. Так как "минус" источника питания гальванически связан со стенками вакуумной камеры, она выступает в качестве цилиндра Фарадея и (частично или полностью) осуществляет токовую компенсацию, а катод-компенсатор служит в основном для восполнения потерь электронов витка хол-ловского тока, уходящих на анод вследствие столкновений и неустойчивостей. В качестве катода-компенсатора использовался КЭ-5 - стандартный КК с вспомогательным подогревом, причем ток подогрева достигал 10-13 А и для стабильности работы КК не всегда выключался. Расход ксенона через катод-компенсатор соответствовал току ~0.2 А (1 А ксенона = 6.25 х 1018 ионов/с).
Эксперименты проводились в вакуумной камере, длина которой составляла 1500 мм, диаметр -500 мм. Стендовая система откачки обеспечивает остаточное давление Р0 = 2 х 10-5 Тор. В качестве рабочего тела использовался ксенон. При установленных расходах через анод в токовых единицах Q = 2.18 А его парциальное давление много больше остаточного и определяется с помощью соотношения Ре = 3Q/2.71 х 10-4 Тор. В этих условиях большая часть ускоренного потока ионов испытывает резонансную перезарядку на расстоянии 300-500 мм от двигателя и ионный ток переносится преимущественно медленными ионами.
Для измерения тяги двигатель был установлен на подвижной ферме тягомера. Катод компенсатор устанавливался неподвижно на вакуумной камере (при его установке на подвижной ферме никакого отличия измеряемых величин выявлено не было, поэтому в дальнейшем он устанавливался только на вакуумной камере).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Полученные результаты измерений можно сформулировать следующим образом.
1. Типичные ВАХ 1+(фА) (зависимость ионного тока от ускоряющего напряжения), представлены на рис. 3, 1+ = 1А - 1е = I + 1к, где I - ток на стенку камеры (камера имеет потенциал катода), ^ - ток на корпус двигателя, ^ - полный разрядный ток или ток электронов на анод, Iе - сквозной электронный ток с катода компенсатора. Кривые получены при расходе рабочего вещества (Хе), соответствующем Q = 2.18 А. Четко прослеживается, что при больших магнитных полях (выше 200 Э), ток ускоренных ионов I+ стремится к расходному току. При снижении магнитного поля ниже 200 Э наблюдается заметное увеличение I+ с ростом напряжения. При малых Н = 50-70 Э полный ток I+ достигает величины ~5 А.
На рис. 4 представлена тяга ДфА) в единицах грамм-силы (гс) для различных значений Н от 50
¥, гс
50 70 100 150 200 250 300
ФаЪ в
Рис. 4. Зависимость измеренной тяги ¥ от фа при таких же условиях, как на рис. 3.
Рис. 6. Магнитотяговая характеристика при тех же условиях, что на рис. 5.
Рис. 5. Магнитоамперная характеристика при условиях: 1 - 150 В, 2 - 200, 3 - 250.
2.5 -
2.0-1-
0 0.5 х 10-4 10-4
Время, с
Рис. 7. Осциллограмма ионизационных колебаний разрядного тока при Q = 2.18 А, Н = 150 Э, фа = 205 В.
до 350 Э. Видно, что вначале тяга растет почти равна 3.5 х 1016 х 2 х 10-4 = 7 х 1012 см-3 = 7 х 1015 л-1,
пропорционально ускоряющему напряжению, поэтому производительность насосов равна
при Фа = 150 В достигает насыщения и далее на- 2400 х 7 х 1015 = 1.68 х 1019 ионов/с = 2.8 А. Через
блюдается падение тяги с ростом напряжения. проходное отверстие насосов с площадью сече-
2. Зависимости ионного тока 1+ и тяги ¥ от маг- ния Б = 2560 см2 газ проходит со скоростью иа2 = нитного поля представлены на рис. 5 и 6. Видно, = 1.68 х 1019/(2560 х 7 х 1012) = 102 см/с. Скорость что 1+ падает с ростом магнитного поля, а тяга ¥ истечения газа через пористую диафрагму с пло-слабо зависит от Н. щадью сечения ж = 4.2 см2 не может быть больше
3. Типичная осциллограмма 1а представлена на одного Маха при свободном истечении в вакуум-рис. 7. Частота колебаний ~40 кГц. Пролетная ный объем [7]. Ск°р°сть звука для °дноатомног° ионная частота определяется как v+/L ~ 106 Гц, газа равна иа1 = \jyRT ~ 3.9 х 104 см/с. Из уравне-где L - характерная длина ускоряющего проме- ния непрерывности можно определить давление
жутка, ^ ~ 7.2 х 10\/^ЛВ] - скорость ускоренно- газа на выходе из анода р1 = ^^ = 1.3 х 10-3 Тор, го иона; т.е. это не пролетные ионные колебания,
частота которых должна быть выше, как видно из т.е. концентрация атомов на выходе из анода на
приведенной оценки. Эта частота соответствует порядок выше, чем концентрация в камере. При-
пролетному времени нейтрала, скорость которого веденные оценки позволяют определить харак-
можно оценить следующим образом. Производи- терную пролетную частоту для нейтрального газа
тельность насосов ВА-5 составляет Б = 2400 л/с. При ua1/L ~ 43 кГц, что хорошо согласуется с наблюда-
давлении в камере 2 х 10-4 Тор концентрация газа емыми колебаниями (рис. 7). Амплитуда колеба-
А/а/!А
1.00
0.75 -
0.50
0.25 -
0
50 100 150 200
300 ФA, В
Рис. 8. Зависимость амплитуды колебаний от фа при Q = 2.18 А и Н = 150 Э.
А/аДА
1.00
0.75 -
0.50
0.25 -
0
75 100 150 200
300 Н, Э
Рис. 9. Зависимость амплитуды колебаний от Н при Q = 2.18 А и фА = 150 В.
ний тока, отнесенная к среднему значению тока, заметно меняется как от разрядного напряжения, так и от магнитного поля (рис. 8 и 9).
Следует обратить внимание на то, что минимум зависимости амплитуды колебаний от фА совпадает с максимумом тяги на рис. 4. Тоже прослеживается в зависимости от Н (сравн. рис. 6 и 9). Подробное обсуждение этого явления будет дано ниже, а пока отметим рост амплитуды колебаний разрядного тока 1А с увеличением разрядного напряжения (см. рис. 8). При этом в зависимости А/// наблюдается минимум, совпадающий с максимумом F(фA).
4. Б
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.