Основные сведения о двигателях  СПД и ДАС

 

2.1.1 История создания СПД

Стационарный плазменный двигатель (СПД) — это космический электроракетный двигатель (ЭРД), созданный в СССР на основе плазменного ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП). Впервые он был испытан в космосе в 1972 г в составе КА «Метеор». Идея создания СПД была предложена А. И. Морозовым в начале 60-х годов XX века. В 1968 году академиком А. П. Александровым и главным конструктором А. Г. Иосифьяном было принято решение о создании корректирующей двигательной установки с СПД. Разработка первой КДУ занимались учёные из  Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, ОКБ «Факел», ОКБ «Заря» и ВНИИЭМ. [13,15].

 

2.1.2 История создания ДАС

Жаринов Аскольд Владимирович впервые предложил использование двигателя с анодным слоем. Предложенная им в 1956 году идея послужила основой для создания целого семейства ионных ускорителей. Первый двигатель был испытан в 1971 году. Для ЭРДУ на металлическом РТ в 1983 году впервые в мировой практике разработан мощный радиационно-охлаждаемый ДАС-200 на висмуте, который при подведенной электрической мощности 34 кВт имел удельный импульс 5200 с при КПД 70 %. [16].

 

2.2  Принцип работы СПД и ДАС

В разрядной камере выполняется кольцевой ускорительный канал, в глубине которого размещается кольцевой анод, который, как правило, служит и для организации подачи и равномерного распределения потока рабочего газа в ускорительном канале. Катод располагается вне ускорительного канала и в двигательном исполнении представляет собой газоразрядный источник электронов на основе полого катода с эмиттером электронов, подогреваемым при запуске двигателя. Между катодом и анодом создается разность потенциалов. Электроны с катода под действием электрического поля движутся с ускорением внутрь газоразрядной камеры и попадают в электромагнитное поле, образованное скрещенными осевым электрическим и радиальным магнитным полями. Напряженность магнитного поля подбирается такой, чтобы при заданной осевой скорости электронов их ларморовский радиус был много меньше характерных размеров камеры. Таким образом электроны, двигаясь к аноду в азимутальном направлении в скрещенных электрическом и магнитном полях, ионизируют атомы рабочего тела. Ионы, имеющие существенно большую массу, чем электроны практически не испытывают действия магнитного поля и покидают разрядную камеру двигателя, набирая энергию благодаря электрическому полю, и создают тягу. Ускоряемый поток ионов нейтрализуется электронами катода-компенсатора. [17]

Катод-компенсатор служит для ионизации рабочего газа, нейтрализации ионного облака, для устранения отрицательного заряда с корпуса аппарата.

ДАС и СПД имеют схожий принцип работы. В ДАС в отличие от СПД стенки ускорительного канала ( охранные кольца) выполнены из электропроводящего материала и находятся под потенциалом катода.[17]

 

2.3.1 Конструкция СПД

Типичный СПД (рис. 13) включает в себя анод 1, катод-компенсатор 2, диэлектрическую (керамическую) разрядную камеру 3, магнитную систему с наружным полюсом 4, катушками намагничивания 5, внутренним полюсом 6 и магнитопроводом 7. Выходные участки стенок 8, 9 разрядной камеры обычно располагаются в межполюсном зазоре. В разрядной камере выполняется кольцевой анод, который служит для подачи рабочего газа. В ускорительном канале создаются радиальное магнитное и продольное электрическое поля путем приложения напряжения между катодом и анодом. В ускорительном канале ионизуются атомы рабочего газа ,и ускорить образовавшиеся ионы. Ионизация атомов происходит при помощи электронов, поступающих из катода-компенсатора. Другая часть электронов нейтрализует ионы, покинувшие двигатель. Ускоренное движение ионов образует тягу двигателя. Для протяженности зоны ускорения стенки ГРК выполняются из диэлектрика, что позволяет повысить вторичную электрон-электронную эмиссию при более низких температурах электронов. Это необходимо для уменьшения эквипотенциалей электрического поля от силовых линий магнитного поля и более точной фокусировки ионного пучка. Так же в конструкцию включают блок управления, катушки намагничивания, последовательно включенные в разрядную цепь, конденсатор.12,13]

 

Рис. 23 . Схема СПД [11]

 

2.3.2 Конструкция ДАС

ДАС включает в себя анод-газораспределитель, катод-компенсатор, магнитную систему с наружным полюсом, катушками намагничивания , внутренним полюсом и магнитопроводом. Стенки ускорительного канала выполнены из электропроводящего материала и находятся под потенциалом катода.[17]

 

 

Рис. 24. Схема ДАС [17]

 

2.3.3 Распределение силовых линий магнитного и электрического полей в ГРК СПД малых значениях энергий электронов.

 

 

 

Рис. 25 Распределение силовых линий магнитного и электрического полей в ГРК СПД.

 

2.4 Различия между ДАС и СПД

 

В двигателях СПД характерное напряжение равно 250-300 В, в ДАС 600-1000 В. Различие в напряжениях влияет на скорость, энергию и температуру электронов. Температура электронов зависит от приложенного напряжения в двигателе[20]:

 

                       (эВ)                                                             (65) 

=[0..1] – безразмерный коэффициент, определяется эмпирически

 

При меньшей температуре электронов, меньше их скорость и скорость их дрейфа, значит, требуется меньшее магнитное поле для их удержания, при этом радиус циклоиды  увеличивается и требуется большая длина канала L. Поэтому в СПД, работающих при меньших напряжениях, необходима большая длина канала , чем в ДАС.

Различные материалы, используемые в разрядной камере, обуславливают ресурс двигателя. В СПД используется диэлектрик( например нитрид бора), в ДАС металл, это влияет на коэффициент вторичной электронной эмиссии и энергию вторичных электронов; чем выше этот коэффициент , тем эффективнее используется вкладываемая электрическая энергия для образования электронов.

Экспериментальные данные для нитрида бора, спользуемого в СПД ­     ( < 30 eV) [20]:

 

                                                                                                      (66.1)

a = 0.141 b =0 .567

 

Экспериментальные данные для нержавеющей стали, спользуемой в ДАС ­ ( < 30 eV) [20]:

 

                                                                                                      (66.2)

a = 0.04 b = 0.61

 

 В ДАСе разряд не удерживается в канале, это позволяет уменьшить электрические потери.

 

2.5  Применение СПД и ДАС

СПД и ДАС используются в космической технике, электрореактивных двигательных установках на базе стационарных плазменных двигателей, служат для корректировки орбит, выведения КА с высоко эллиптической стартовой орбиты на геостационарную в составе разгонного блока на основе ЭРДУ, исполняют  маршевые и транспортные задачи КА с высокой энерговооруженностью [13].

 

2.6  Основные параметры стационарного плазменного двигателя

 

2.6.1 Удельный импульс СПД

Удельный импульс тяги  (м/сек) равен отношению тяги R  к массовому секундному расходу  (кг/сек) рабочего тела[17]:

                      =                                                                            (67)

Удельный импульс можно вычислить так же используя значения силы тока ионного пучка  (А) , потенциала плазмы в газоразрядной камере  (В), он обычно близок к потенциалу анода ( миссионого электрода,  - напряжение разряда в ГРК), массы иона М( кг), заряда электрона (Кл) [17] , расхода  (кг/сек) и КПД рабочего тела [17]:

 

                     =                                                           (67.1)

                     =                                                           (67.2)

 

Данный импульс характеризует среднюю скорость реактивной струи, создающей тягу. Однако для расчётом используют , выраженный в секундах[17]:

                  (с)=                                                                (67.3)

 

2.6.2  Расчет тяги СПД

Тяга R  развивается двигателем СПД за счёт создаваемой плазменной струи. Её вычисляют исходя из значений силы тока ионного пучка  (А) , потенциала плазмы в газоразрядной камере  (В), он обычно близок к потенциалу анода ( миссионого электрода,  - напряжение разряда в ГРК), массы иона М( кг), заряда электрона (Кл) [17] , расхода  (кг/сек) [17]:

 

                     =                                                                 (68)

 

2.6.3 Тяговый коэффициент полезного действия

Полный (тяговый) КПД двигателя характеризует эффективность использования электрической энергии  и рабочего тела [17]:

 

                                                                                     (69)

 

                                 =                                                                       (70)

где (Вт) – мощность струи, (Вт) – электрическая мощность

Мощность струи определяется отношением половины массового расхода рабочего тела  (кг/сек) и квадратом средней скорости ионов  (м/сек)[16]:

 

                                                                                             (71)

 

Так же полный КПД можно вычислить, используя значения (с), тяги R , массового расхода рабочего тела  (кг/сек) и мощности N(Вт):

 

                                      = =                                                           (72)

 

 

2.6.4 Ресурс СПД

Ресурс двигателя определятся временем износа наружной кромки диэлектрического канала под воздействием ускоренных ионов, поскольку их вектор скорости не параллелен стенкам канала. Анализ экспериментальных и расчетных исследований позволил вывести формулу для ресурса СПД[19]:

 

                                       τ=                                             (73)

 

 ( - объемный коэффициент распыления материала кольцевой разрядной камеры.

 ( )- средний диаметр канала

 ( )- ширина канала

 (В)- напряжение разряда

 (А)- величина ионного тока , падающего на стенки изолятора