ДИНАМИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
плазменный источник электронов
в плазменно-пучковом разряде низкого давления в стационарном плазменном двигателе © 2009 г. В. И. Минаков
Московский авиационный институт (государственный технический университет), Россия
Поступила в редакцию 23.07.2008 г. Окончательный вариант получен 17.03.2009 г.
Исследовался разработанный автором плазменный источник электронов, способный повышать температуру электронов плазмы за срезом стационарного плазменного двигателя до 7—15 эВ. При повышении частоты ионизации одновременно с увеличением объема области, в которой первично образуются медленные ионы, давление нейтралов, необходимое для выполнения условий существования самосогласованных распределений электрического поля и плотности заряженных частиц в пространстве распространения компенсированного ионного пучка, заметно падает. При неизменных параметрах основного разряда тяга, тяговый кпд, коэффициент использования массы и ресурс сборки "Анодный блок стационарного плазменного двигателя — плазменный источник электронов" возрастают по сравнению с двигателем, оснащенным традиционным катодом-компенсатором. Реализованы три дополнительных канала управления разрядом. Расширены диапазоны регулирования параметров разряда.
РАСЯ: 52.40.Mj, 52.80.Sm
1. ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование электростатических двигателей (ЭСД) [1], таких как плазменно-ионный двигатель (ПИД), плазменные холловские двигатели — с анодным слоем (ДАС) и стационарный плазменный (СПД) [2], основано на развитии представлений о физических явлениях в стационарном плаз-менно-пучковом разряде (ППР) низкого давления. ППР низкого давления реализован также в источниках ионов [3] и в плазмооптических системах [4].
Эмпирические данные работы [5] показывают, что даже в зоне ускорения СПД плотность нейтралов более чем на порядок превышает плотность ионов. В [6] отмечена высокая плотность медленных ионов в области "тени" вблизи осевого магнитопровода. Эти факты свидетельствуют о низкой степени ионизации плазмы интенсивного компенсированного ионного пучка (ИП) (в = = п;/(п; + па) ~ 0.02—0.1), что, в итоге, ограничивает характеристики СПД, оснащенного традиционным катодом-компенсатором (КК). Результаты же расчетов [7, 8] демонстрируют практически полное выгорание атомов ксенона на длине канала ускорения, что должно было бы оправдывать рассмотрение ИП в приближении полностью ионизованной плазмы [9]. Расхождение между опытными данными и имеющимися теоретическими представлениями очевидно. Новая организация разряда низкого давления в ЭСД, о которой говорится в следующем разделе, позволяет выявить причину подобных расхождений и ча-
стично устранить ограничения, накладываемые на рост характеристик двигателя.
Практическая же задача, которая ставилась в настоящей работе, - увеличение коэффициента использования массы рабочего тела (ксенона) путем повышения температуры электронов непосредственно за срезом ЭСД, в пространстве распространения ИП. Задача решается с помощью недавно разработанного плазменного источника электронов [10, 11].
2. ОСНОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ОРГАНИЗАЦИИ РАЗРЯДА В ЭСД
Степень совершенства ЭСД во многом определяется величиной коэффициента использования массы п и. Возможности увеличить п и известными способами, например, путем повышения энерговыделения в плазме канала ускорения существующей сборки "Анодный блок СПД — традиционный катод-компенсатор" [9], практически полностью исчерпаны. Попытки поднять энерговыделение выше определенного предела приводят лишь к кризисным явлениям1: росту
1 Они возникают при увеличении вкладываемой в разряд мощности сверх определенного предела и выражаются в снижении тягового кпд из-за роста потерь мощности, в повышении уровня колебаний, в появлении нестабильности разряда вплоть до его перестройки, в увеличении скорости эрозии стенок канала. Кризисные явления характерны для СПД, ДАС и некоторых модификаций ПИД.
819
4*
потерь мощности и подъему уровня колебаний, к нестабильности разряда, к увеличению скорости эрозии стенок канала. Увеличение п и при постоянном расходе взаимосвязано с уменьшением плотности нейтралов как в зоне формирования и ускорения потока ионов, так и в пространстве распространения создаваемого двигателем плазменного пучка.
Можно показать [12], что при высоких плотностях быстрых ионов, которые достигаются в режимах, близких к предельно допустимым по вкладываемой мощности, степень ионизации ИП за срезом канала ускорения принципиально ограничена сверху. Устойчивое горение разряда низкого давления в этом случае может быть обеспечено только тогда, когда в критической области , расположенной за срезом ЭСД, оснащенного традиционным катодом-компенсатором, плотность нейтралов, по крайней мере, на порядок превосходит плотность заряженных частиц. Максимально достижимая величина отношения плотностей заряженных и нейтральных частиц в данной области определяется механизмами и условиями ионизации нейтралов, а также родом рабочего тела.
Подобные ограничения вызваны необходимостью выполнения условий существования плазмы за срезом ЭСД [12], именно, условия установления в плазме в стационарном случае самосогласованных распределений потенциала и плотности заряженных частиц (см. [3], с. 273) и условия квазинейтральности плазмы (там же, с. 92). Обозначим указанную совокупность условий как 1*.
В плазме непосредственно за срезом ЭСД, как и в любом плазменном образовании с плотностью заряженных частиц пе ~ п, > 106 см~3, Те = 1—10 эВ и с характерным размером Ь ~ 1—10 см, возникают амбиполярные потоки электронов и медленных ионов. В осесимметричном случае данные потоки ускоряются самосогласованным электрическим полем, создаваемым под действием градиента электронного давления, преимущественно в радиальном направлении. Скорости медленных ионов на один-два порядка меньше, чем у
2 Критическая область — область за срезом двигателя, уменьшение плотности нейтралов в которой ниже некоторого предела приводит к возникновению кризисных явлений из-за невозможности выполнения совокупности условий 1*.
В ИП температура электронов Те, плотности нейтралов па и заряженных частиц пе убывают с расстоянием г от среза двигателя, причем каждый из этих параметров изменяется по своему закону. Скорость ионизации ф(г), определяющая плотность медленных ионов, являясь функцией ф(г) = = Ф(Те, па, пе), убывает с г не менее быстро, чем плотность нейтралов па. Поэтому при изменениях параметров разряда, направленных единственно на уменьшение плотности нейтралов за срезом двигателя, всегда найдется такое г, в окрестности которого совокупность условий 1* перестает выполняться.
быстрых ионов. Потоки быстрых ионов ориентированы в основном по продольной оси, в окрестности которой они и локализованы. Импульс этих тяжелых заряженных частиц достаточно велик, и относительно слабое самосогласованное поле не в состоянии значимо влиять на их распределение в пространстве. В этом смысле быстрые ионы, в отличие от медленных, не принимают непосредственного участия в формировании взаимосогласованных распределений электрического поля и плотности заряженных частиц. Вместе с тем, вклад быстрых ионов в создаваемый совместно с медленными ионами суммарный положительный объемный заряд тяжелых частиц плазмы пропорционален коэффициенту использования массы п и. Вклад медленных ионов зависит от п и по более сложному закону и с ростом п и спадает быстрее, чем разность 1 — п и. Увеличение мощности разряда ведет к увеличению коэффициента использования массы, объемный заряд быстрых ионов растет, а медленных — падает. При повышении пи возникающее благодаря суммарному объемному заряду ионов и электронов электрическое поле должно оставаться самосогласованным и в том случае, когда пространственное распределение все большей части ионов (то есть быстрых ионов) им не контролируется. Если растущее в результате повышения мощности разряда отношение объемного заряда быстрых ионов к объемному заряду медленных достигает уровня, при котором условия 1* перестают выполняться, развиваются кризисные явления. Кризисные явления не возникнут лишь в том случае, когда объемный заряд (а, следовательно, и плотность) медленных ионов, создающих самосогласованные распределения электрического поля и плотности заряженных частиц, соизмерим с объемным зарядом (плотностью) быстрых ионов либо превышает его. В предельном случае, когда коэффициент использования массы достигает максимального значения, и, значит, плотности быстрых и медленных ионов становятся соизмеримыми, суммарный поток медленных ионов, определяемый соотношением характерных скоростей рассматриваемых разновидностей ионов, составляет ~2— 5% от подаваемого в двигатель расхода ксенона. При низкой эффективности идущих за срезом двигателя процессов первичного образования медленных ионов, что характерно для СПД, оснащенного традиционным катодом-компенсатором, суммарный поток покидающих ускоритель нейтралов с необходимостью значительно превосходит поток этих ионов, достигая ~20% от указанного расхода.
Минимальный расход ксенона в традиционный катод-компенсатор (КК) СПД, обеспечивающий требуемые параметры разряда, равен ~10% от полного расхода [9]. Необходимость подачи за-
Таблица 1. Константа скорости ионизации ксенона электронами с максвелловской функцией распределения, к(Те) = (а,- (Те)ve), по данным [15-17]
Те , эВ к, см3/с [15] к, см3/с [16] к, см3/с [17] Те , эВ к, см3/с [15] к, см3/с [16] к , см3/с [17]
1 - - 2.9 х 10-13 7 2.3 х 10-8 1.85 х 10-8 2.0 х 10-8
2 6 х 10-10 1.1 х 10-10 1.5 х 10-10 8 2.8 х 10-8 2.4 х 10-8 -
3 4 х 10-9 1.1 х 10-9 1.3 х 10-9 9 3.3 х 10-8 3.1 х 10-8 -
4 9 х 10-9 3.4 х 10-9 4.1 х 10-9 10 3.8 х 10-8 3.8 х 10-8 3.9 х 10-8
5 1.3 х 10-8 7.5 х 10-9 8.4 х 10-9 15 5.2 х 10-8 - 6.8 х 10-8
6 1.8 х 10-8 1.2 х 10-8 1.4 х 10-8 20 6.1 х 10-8 - 9.1 х 10-8
метной доли расхода в традиционный КК приводит к уменьшению коэффициента использования массы, так как скорость истечения ионов и атомов ксенона из катода на один-два порядка меньше скорости быстрых ионов, покидающих канал ускорения анодного блока СПД. Показательно сопостав
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.