ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 78-83
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 629.7.036.73
СИЛЬНОТОЧНЫМ ГЕНЕРАТОР ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛОГО КАТОДА ДЛЯ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ © 2014 г. А. С. Ловцов, П. М. Пучков, В. Н. Шутов
Исследовательский центр им. М.В. Келдыша Россия, 125438, Москва, ул. Онежская, 8 E-mail: p.m.puchkov@gmail.com Поступила в редакцию 03.07.2013 г.
Рассмотрены конструктивная схема и методика автономных испытаний полого катода нового типа, созданного в Исследовательском центре им. Келдыша и способного обеспечивать ток эмиссии на уровне 100 А, а также отвечающего основным требованиям, предъявляемым к термоэмиссионным катодам ионных двигателей большой мощности. Приведены результаты автономных испытаний и получены зависимости напряжения разряда от тока разряда катода в диапазоне токов разряда от 20 до 120 А. Измерены температуры элементов конструкции катода на стационарных режимах работы.
DOI: 10.7868/S0032816214020207
ВВЕДЕНИЕ
Для изучения и последующего освоения Солнечной системы необходимо создание транспортных систем нового поколения, отличающихся существенно лучшей топливной эффективностью. Для перемещения в космическом пространстве необходима мощная энергодвигательная установка, обладающая высокими ресурсными характеристиками и низким расходом рабочего тела. В настоящее время в России разрабатывается транспортно-энергетический модуль мегаваттно-го класса мощности с ядерным источником энергии. В качестве маршевой двигательной установки планируется использовать систему на основе электрических ракетных двигателей.
По совокупности характеристик наиболее подходящей основой для создания мощной энергодвигательной установки в настоящее время выглядят ионные двигатели. Ионные двигатели обладают высоким удельным импульсом (экспериментально получены результаты до 80000 м/с [1]) и высокими ресурсными характеристиками (превышающими 30000 часов [2, 3]).
Мощность единичного двигателя транспорт-но-энергетического модуля оценивается в десятки киловатт. Для создания подобного ионного двигателя следует создать высокоэффективный источник плазмы — газоразрядную камеру (г.р.к.). В настоящее время одной из наиболее отработанных технологий создания плазмы в г.р.к. ионного двигателя является инициация разряда постоянного тока с помощью генератора плазмы — полого катода. По оценочным расчетам для ионного двигателя мощностью 50 кВт и более такой катод должен работать при токах разряда порядка 100 А.
В данной статье рассмотрены конструктивная схема и методика автономных испытаний полого катода нового типа, созданного в Исследовательском центре им. Келдыша и способного обеспечивать ток эмиссии на уровне 100 А, а также отвечающего основным требованиям, предъявляемым к термоэмиссионным катодам ионных двигателей большой мощности. Приведены результаты автономных испытаний.
ОПИСАНИЕ ПОЛИЭМИТТЕРНОЙ СХЕМЫ ПОЛОГО КАТОДА
К настоящему времени за рубежом уже разработаны катоды, работающие на ксеноне при токах разряда на уровне 100 А [4—6]. В то же время существуют разработки катодов, выполненных по многополостной схеме [7], т.е. по схеме, в которой имеется множество рабочих полостей для эмиссии электронов, которые имеют оси, параллельные друг другу. При этом эмиттерная часть катода, как правило, состоит из одной рабочей втулки эмиттера. Схемы эмиттеров приведены на рис. 1.
Несмотря на наличие разработок катодов с токами разряда до 100 А и выше, катоды г.р.к. в настоящее время созданы с током разряда до 60 А, а длительные ресурсные испытания (порядка 30000 ч) проведены только для токов 10—15 А.
При создании катода г.р.к. для мощного ионного двигателя основное внимание уделялось обеспечению требуемого ресурса работы. В связи с этим, учитывая необходимость обеспечения теплового режима катода и объективное состояние производственной базы, было принято решение провести разработку и исследование лаборатор-
ной модели катода, работающей с токами разряда в диапазоне 50—100 А, используя полиэмиттер-ную схему катода, т.е. схему катода, в которой задействовано в эмиссии одновременно несколько эмиттеров, собранных в единую конструкцию и снабженных одним стартовым нагревателем и электродом поджига.
Эмиттерная часть катода будет представлять собой несколько полых вольфрам-бариевых эмиттеров цилиндрической формы, установленных в единую обойму, при этом оси эмиттеров будут параллельны друг другу. Схема эмиттерной части полиэмиттерного катода представлена на рис. 1в. Использование полиэмиттерной схемы является основной особенностью модели сильноточного катода, описанного в данной статье.
Достоинствами полиэмиттерной схемы вольфрам-бариевых катодов можно считать следующие:
1. При больших токах разряда 50—100 А суммарная площадь эмиссии электронов будет составлять значительную величину (порядка 10 см2). Эта же площадь будет контактировать с плазмой газового разряда. Ионная бомбардировка из плазмы газового разряда будет приводить к интенсивному нагреву эмиттеров. В эмиттерной части катода будет выделяться значительная тепловая мощность (сотни ватт).
Отвод такого количества тепла от эмиттера в элементы конструкции катода требует достаточно больших величин суммарной площади контакта эмиттеров с корпусом или керном, в который установлены эмиттеры. В полиэмиттерной схеме катода имеется возможность обеспечить высокую величину этой площади, в схеме катода с одним цилиндрическим эмиттером данная площадь будет значительно меньше.
2. Имеются определенные технологические трудности изготовления крупногабаритных эмиттеров. В этом плане полиэмиттерная схема имеет преимущество.
3. Полиэмиттерная схема при равномерном распределении тока разряда и расхода рабочего тела между эмиттерами обеспечивает одинаковый режим работы каждого эмиттера, равномерную выработку бария из объема эмиттера.
По сути, единственным недостатком поли-эмиттерной схемы катода по сравнению со схемой катода с одним цилиндрическим эмиттером, показанной на рис. 1а, является сложность обеспечения равномерного расхода рабочего тела по всем эмиттерам, что влечет за собой сложность равномерного распределения по ним тока эмиссии.
В многополостном эмиттере помимо технологической сложности возможна радиальная неоднородность в выработке бария. Это связано с тем, что в частях рабочих поверхностей полостей-отверстий, обращенных к внешней поверхности эмиттера (рис. 1б), охватывающей эти полости,
(а)
©
(б)
ЧУ
(в)
Рис. 1. Принципиальные схемы эмиттеров: однопо-лостного (а) и многополостного (б); в — полиэмиттерная схема эмиттерного узла.
по мере выработки ресурса катода может наступить обеднение бария, в то время как в частях рабочих поверхностей полостей-отверстий, обращенных к центральной части эмиттера, такого обеднения может не наступить.
Принципиальная схема катода представлена на рис. 2.
Катод состоит из эмиттерного узла, узла стартового нагревателя и электрода поджига.
Эмиттерный узел включает в себя набор эмиттеров, корпус эмиттеров и массивное основание. Массивное основание необходимо для отвода тепла к заднему фланцу. Корпус эмиттеров — молибденовый цилиндр, в котором выполнено четыре цилиндрических канала для размещения эмиттеров. В каждом канале размещается вольфрам-бариевый эмиттер.
Нагревательный узел состоит из спирального нагревателя, двух цилиндрических токоподводя-щих фланцев и изоляционной втулки. Спиральный нагреватель служит для стартового нагрева эмиттеров до температуры эмиссии. Цилиндрические фланцы нагревательного узла являются одновременно корпусом и токоподводами к нагревателю. Изоляционная втулка нагревателя вы-
Рис. 2. Принципиальная схема лабораторной модели катода.
полнена из керамики и служит изолятором фланцев и соседних витков нагревателя.
Электрод поджига выполнен в виде стакана, в торцевой части которого выполнены отверстия для выхода плазмы из катода.
Все элементы катода изолированы друг от друга керамическими втулками. Сборка катода осуществляется болтовыми соединениями, которые также изолированы керамическими втулками.
Рис. 3. Внешний вид лабораторной модели катода.
За счет болтовых соединений конструкция катода является разборной, что позволяет проводить диагностику его внутренних элементов.
Внешний вид лабораторной модели катода показан на рис. 3.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПОЛОГО КАТОДА
Испытания проводились в вакуумной камере объемом 10 м3, оснащенной восьмью диффузионными насосами НВДМ. Экспериментальная установка при проведении огневых испытаний обеспечивает давление в вакуумной камере на уровне 10-2 Па при подаче в нее требуемого расхода ксенона в диапазоне 1—5 мг/с. Вакуумная камера имеет внутренний диаметр 1.6 м, что не приводит к заметному нагреванию стенок и других элементов вакуумной камеры при образовании дугового разряда в ее объеме между катодом и анодом.
Схема установки для проведения автономных огневых испытаний лабораторной модели катода представлена на рис. 4.
Приспособление для размещения в объеме вакуумной камеры катода и анода обеспечивало электроизоляцию всех токоведущих частей устанавливаемого на него катода от элементов вакуумной камеры. Кроме того, приспособление предусматривало установку средств диагностики. С целью визуального контроля и пирометрирования торцевая часть катода располагалась напротив окна вакуумной камеры.
и, 20
19
18
17
16
15
14
13
В
1
Ь'' У
п У у
^ лв— ¿г
3
-----о---о
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0
30 50
70
90 110
130 I, А
Рис. 4. Схема экспериментальной установки.
Автономные огневые испытания катодов проводятся при использовании имитатора газоразрядной камеры ионного двигателя. В качестве имитатора при испытаниях различных катодов, как правило, используется анод, изготовленный из тугоплавкого материала.
Проведение автономных огневых испытаний катодов с высокими токами разряда (20—120 А) потребовало разработки нового анода. Обычно при проведении автономных огневых испытаний различных катодов в качестве анода используют плоскую пластину, устанавливаемую напротив катода перпендикулярно его оси на расстоянии 5—10 см от среза
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.