Электроракетный двигатель принцип работы и устройство

Электроракетный двигатель принцип работы

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель)

Электрический ракетный двигатель (электроракетный двигатель) – ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

Электроракетный двигатель, сущность, устройство, принцип работы

Принцип работы основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц.

В таких двигателях в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического аппарата.

Электрические ракетные двигатели имеют исключительно высокий удельный импульс, составляющий до 100 км/с и более. Однако большой потребный расход энергии (1-100 кВт/Н тяги) и малое отношение тяги к площади поперечного сечения реактивной струи (не более 100 кН/м2) ограничивают максимальную целесообразную тягу ЭРД несколькими десятками ньютон. Недостатком электрических ракетных двигателей также является малое ускорение космического аппарата, которое составляет десятые или даже сотые доли ускорения свободного падения (g), что ограничивает применение таких двигателей только космическим пространством. Поэтому для запуска космического аппарата с Земли к другим планетам необходимо комбинировать обычные химические ракетные двигатели с электрическими.

История возникновения электрических ракетных двигателей

Впервые идею использования электрической энергии высказывал К.Э. Циолковский в 1912 г. В статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Вестник воздухоплавания, №9, 1912 г.) он писал: «… с помощью электричества можно будет придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам…»

В 1916-1917 гг. Р. Годдард экспериментально подтвердил реальность осуществления этой идеи.

В 1929-1933 гг. под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих электрических ракетных двигателей. Впоследствии на некоторое время работы по разработке ЭРД были прекращены.

Они возобновились только в конце 1950-х – начале 1960-х гг. и уже к началу 1980-х гг. в СССР и США испытано около 50 различных конструкций электрических ракетных двигателей в составе космических аппаратов и высотных атмосферных зондов.

В настоящее время ЭРД широко используются в космических аппаратах: как в спутниках, так и в межпланетных космических аппаратах.

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей

По принципу действия:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Принцип работы и устройство реактивного двигателя

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

Наблюдения, описанные выше, получили точные научные объяснения, были отображены в физических законах:

• закон сохранения импульса;
• третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

• компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
• камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
• турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
• сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

ЗРК «Стрела-10»

Военная кафедра Казахского национального университета имени аль-Фараби

5. Двигательная установка ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»

1. Назначение, состав, устройство и принцип действия двигательной установки

Двигательная установка (ДУ) предназначена для сообщения ракете поступательного движения с заданной скоростью на стартовом участке и поддержания среднего ее значения на маршевом участке траектории полета ракеты. ДУ представляет собой однокамерный двухрежимный реактивный двигатель на твердом топливе с постоянным критическим сечением.

ДУ состоит из двигателя, заряда и воспламенительного устройства (рис. 1).

Основными элементами двигателя являются камера сгорания и сопловой блок.

В камере сгорания происходит сгорание топлива и образование газов. Она представляет собой цилиндрическую трубу, внутренняя поверхность которой покрыта теплозащитным материалом. Сопловой блок предназначен для ускорения газов и получения реактивной струи.

Заряд представляет собой цилиндрический моноблок твердого топлива, состоящий из стартовой и маршевой частей. Часть наружной поверхности заряда бронирована.

Воспламенительное устройство предназначено для поджига заряда ДУ.

Первый режим работы ДУ предназначен для быстрого разгона ракеты (до 700 м/с), на стартовом участке, а второй режим – для поддержания средней скорости ее полета (550 м/с) на маршевом участке траектории.

В первом режиме (продолжительностью 2,1 с) необходимо более интенсивное горение топлива, чтобы иметь большое количество газов и соответственно большую реактивную тягу. Для этого конфигурация заряда сделана таким образом, чтобы обеспечить большую площадь горения топлива.

Рис. 1. Двигательная установка.

Во втором режиме поверхность горения ограничивают, тем самым увеличивая время и уменьшая интенсивность горения топлива.

Для обеспечения двух режимов работы топливный заряд сделан в виде моноблока с разной геометрией передней и задней части и частичным их бронированием. Вначале интенсивно сгорает передняя часть, затем более медленно – задняя.

Принцип действия двигательной установки.

При поступлении команды ПУСК из аппаратуры запуска на электровоспламенитель подается импульс тока. Электровоспламенитель срабатывает, струя его огня зажигает воспламенитель.

Продукты горения воспламенителя направляются на заряд и воспламеняют его. Горение заряда происходит по небронированным поверхностям.

Давление газов прорывает колпачок, и через сопло двигателя происходит истечение газов, образующихся при горении заряда, в результате создается сила тяги, сообщающая ракете начальную стартовую скорость.

Давлением газов поворачиваются флажки механизма стопорения ракеты в контейнере и ракета стартует.

2. Назначение, общее устройство и принцип действия канала крена

Ракета 9М37 в полете подвергается воздействию различных неблагоприятных факторов. Основным из них является обтекающий ракету воздушный поток, возмущенный ее рулями, который вращает ракету вокруг продольной оси.

Это вращение называется вращением ракеты по крену и является источником ошибок наведения. При значительной скорости вращения ракета может стать неуправляемой. Для уменьшения этих ошибок необходимо ограничивать угловую скорость вращения ракеты по крену.

Канал крена предназначен для ограничения угловой скорости вращения ракеты вокруг своей продольной оси.

В состав канала крена входят газогенератор и блок крена.

Газогенератор размещен на контейнере ракеты. Он предназначен для разгона роторов блока крена и состоит из камеры, в которой помещается пороховой заряд, электровоспламенителя и газопровода с соплами (рис. 2).

Рис. 2. Газогенератор канала крена

Блок крена располагается вокруг сопла ДУ и состоит из корпуса, двух рамок с роторами, имеющими лопатки на ободе (рис. 3). Каждая рамка связана с парой элеронов, являющимися исполнительными элементами канала крена. Поворот одной рамки приводит к повороту другой на такой же угол, но в противоположную сторону.

Рис. 3. Блок крена.

Принцип действия блока крена.

При нажатии кнопки ПУСК из аппаратуры запуска подается напряжение на электровоспламенитель газогенератора, который воспламеняет пороховой заряд. Образующиеся газы по газопроводу и соплам поступают на лопатки роторов блока крена и приводят их во вращение. В полете роторы работают на выбеге (по инерции). При крене ракеты роторы удерживают элероны в исходном положении. Создается тормозящий аэродинамический момент, который ограничивает угловую скорость вращения ракеты.

• • Учебное пособие
  • Авторский коллектив
  • Сдать экзамен экстерном

• Содержание

  • 1. Общее устройство ЗРК «Стрела-10»
  • 2. Общее устройство ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»
  • 3. Оптическая ГСН ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»
  • 4. Автопилот ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»
  • 5. Двигательная установка ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»
  • 6. Боевой отсек ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»
  • 7. Энергоблок и пусковой контейнер ракеты 9М37 ЗРК «Стрела-10»
  • 8. Пусковая установка ЗРК «Стрела-10»
  • 9. Аппаратура запуска ЗРК «Стрела-10»
  • 10. Аппаратура оценки зоны ЗРК «Стрела-10»
  • 11. Система прицеливания и привод пусковой установки ЗРК «Стрела-10»
  • 12. Средства обнаружения воздушных целей ЗРК «Стрела-10»
  • 13. Аппаратура приема целеуказаний ЗРК «Стрела-10»
  • 14. Аппаратура реализации целеуказаний ЗРК «Стрела-10»
  • 15. Устройство и работа средств связи ЗРК «Стрела-10»
  • 16. Устройство базовой машины ЗРК «Стрела-10»
  • 17. Устройство ЗРК ближнего действия
  • 18. Ходовая часть и электрооборудование МТ-ЛБ

Тоекин М.Р., КазНУ им. аль-Фараби, г.Алматы, 2017 г. | Free CSS Templates | TurboSite

Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 131-139

Исследование катода-нейтрализатора с геликонным разрядом

В. В. Кожевников 1, * , П. Е. Смирнов 1 , С. А. Хартов 1

1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Москва, Россия

Поступила в редакцию 13.05.2019
После доработки 20.05.2019
Принята к публикации 24.05.2019

Полые катоды уже много лет демонстрируют эффективную и качественную работу в качестве источников электронов для различных типов электроракетных двигателей в составе двигательных установок космических аппаратов. Однако, они же являются одним из элементов двигательной установки, ограничивающим ее ресурс, а кроме того обладают рядом проблем, связанных с потерей их эффективности при взаимодействии с химически активными газами, присутствующими в рабочем теле и окружающей аппарат остаточной атмосфере. В настоящее время было предпринято несколько разработок, нацеленных на избавление от этих ограничений, таких как переход к “безкатодным” двигательным установкам, а также создание катодов с разрядом безэлектродной схемы. В предыдущих работах авторы представили конструкцию такого катода-нейтрализатора, основанного на индуктивном высокочастотном разряде, провели изучение его вольт-амперных характеристик и эффективности. В настоящем исследовании предприняты попытки миниатюризациии данного устройства, а также повышения его эффективности за счет перехода к геликонному разряду.

Во множестве миссий космических аппаратов (КА) в настоящее время применяются, или планируются к применению электроракетные двигатели, использующие электростатический способ ускорения заряженных частиц. К таким устройствам относятся ионные двигатели (ИД), двигатели, работа которых основана на замкнутом дрейфе электронов (стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС)). Они обладают высоким удельным импульсом, а также значительным, в сравнении с другими двигателями, ресурсом работы, что позволяет применять их в миссиях дальних космических перелетов, для коррекции орбиты космических аппаратов, а кроме того прорабатываются идеи создания двигательных установок (ДУ) способных использовать в качестве рабочего тела окружающую атмосферу при полетах на низких орбитах [1–4].

Источники электронов являются неотъемлемой частью ДУ с электростатическим способом ускорения рабочего тела. Они необходимы для процессов ионизации в разряде двигателя и нейтрализации ионного пучка. Наиболее часто используемым источником электронов являются полые катоды благодаря высокой плотности генерируемого тока и низкому потреблению рабочего тела и электрической мощности [2]. Ресурс полых катодов ограничен деградацией и испарением термоэмиссионной вставки, выполненной из материалов с низкой работой выхода электрона. Вставка-эмиттер должен избегать контакта с активными газами, что вызывает повышенные требования к обращению с ним. Кроме того, большие затраты энергии идут на значительный нагрев катода внешним нагревателем перед началом его работы [4].

Чтобы избавиться от данных недостатков полых катодов, в настоящее время идут активные разработки ДУ и катодов, основанных на безэлектродном разряде. Так, например, в двигателе “μ10” (в составе маршевой ДУ на КА Hayabusa) для нейтрализации струи ионов вместо классического полого катода использован нейтрализатор на базе сверхвысокочастотного разряда. Кроме того, ионный двигатель, не использующий в своей работе катод, разрабатывается компанией ThrustMe по проекту “Neptune”. Однако такие устройства обладают относительно низкой эффективностью [5, 6].

В настоящем исследовании была предложена схема безэлектродного высокочастотного катода с индуктивным разрядом (ВЧК/ИР). Конструкция такого устройства очень проста и не требует электрода-кипера, нагревателя, а, следовательно, и источников постоянного тока в своей работе. Кроме того, ожидается получить высокий ресурс таких устройств благодаря использованию более устойчивых к химическим воздействиям материалов. Конструкция катода такова, что его элементы мало подвержены воздействию высокоэнергетических потоков частиц. Запуск такого катода прост и не требует предварительного термического нагрева.

В предыдущем исследовании была продемонстрирована устойчивая работа ВЧК/ИР и выявлено влияние на его характеристики некоторых конструктивных параметров, а также приведено сравнение разработанного устройства с устройствами, представленными в работах других исследовательских коллективов [7].

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Основываясь на результатах предыдущих исследований, было решено рассмотреть возможность работы катода более миниатюрной конструкции, перейдя от газоразрядной камеры диаметром 4 см к камере диаметром 2 см, а также изучить влияние типа разряда на извлекаемый электронный ток, перейдя от обычного индуктивного к геликонному разряду.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Схема высокочастотного катода представлена на рис. 1. В качестве газоразрядной камеры (ГРК) используется трубка из кварцевого стекла, закрытая с одной стороны газораспределителем, а с другой стороны сопловой пластиной, выполненными из керамики Macor. Конструктивные параметры этих элементов позволяют поддерживать необходимое давление рабочего тела в разряде, а также осуществлять эмиссию электронов. Десяти-витковый медный индуктор, навитый на ГРК, при подаче на него ВЧ тока индуцирует в полости камеры переменное магнитное поле высокой частоты. Магнитное поле генерирует вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны, которые при соударении с атомами рабочего тела ионизируют их. Для запуска катода нужны первичные электроны. Внутри камеры вдоль ее стенок расположен коллектор ионов из нержавеющей стали, необходимый для поддержания квазинейтральности плазмы. Коллектор имеет разрез, параллельный оси катода, что позволяет снизить потери ВЧ мощности на наведении в нем вихревых токов. Под действием потенциала ионного пучка за срезом сопла катода электроны покидают газоразрядную камеру. Ионы с эквивалентным разрядом выпадают на поверхность коллектора, где нейтрализуются, а также, вылетая за пределы ГРК, совместно с ионным пучком двигателя создают зону повышенной проводимости (т.н. “плазменный мост”). На внешней части катода предусмотрены установочные места для обоймы с постоянными магнитами, позволяющими перейти от обычного индуктивного разряда к геликонному.

Рис. 1.

Конструктивная схема катода.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводились на экспериментальном стенде института плазменной технологии и основ электротехники (EIT1.1) университета вооруженных сил Мюнхена (рис. 2). Стенд включает в себя вакуумную камеру объемом 0.15 м 3 , трехступенчатая откачная система которого имеет суммарную производительность 6500 л/с, что обеспечивает динамический вакуум на уровне 10 –6 мбар при объемном расходе рабочего тела 3 ст.см 3 /мин (sccm).

Рис. 2.

Экспериментальный стенд института EIT 1.1.

Исследуемая лабораторная модель высокочастотного катода имела диаметр сопла 4 мм и площадь собирающей поверхности коллектора – 1800 мм 2 . В качестве рабочего тела использовался ксенон.

Схема эксперимента изображена на рис. 3. Индуктор катода был запитан от ВЧ генератора, спроектированного для работы с устройством такой конструкции. Рабочая частота генератора составляла 3 МГц. Источник постоянного тока создавал разность потенциалов между коллектором катода и мишенью, симулирующей ионный пучок двигателя. Мишень располагалась напротив катода на расстоянии 50 мм. Все системы кроме источника постоянного тока были смонтированы вне вакуумной камеры.

Рис. 3.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕЛИКОННОГО РАЗРЯДА

Для реализации режима геликонного разряда, характеризующегося эффективным вкладом ВЧ мощности в плазму, необходимое соотношение рабочей частоты и индукции внешнего магнитного поля рассчитывались исходя из представленных ниже соотношений [4, 8]:

где ω_ce – циклотронная электронная частота, ω_ci – циклотронная ионная частота, ω_p – плазменная частота, а ω_НГ – нижняя гибридная частота. ω – частота геликонного разряда.

где e – заряд электрона, m_e – масса электрона, B – величина индукции магнитного поля.

где m_i – масса электрона

где ε – электрическая постоянная, n_e – концентрация электронов.

ЦЕНА ЭЛЕКТРОНА И КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Важными параметрами для оценки эффективности работы катода являются цена электрона и коэффициент использования рабочего тела. Коэффициент использования рабочего тела учитывает затраты массы рабочего тела на получение единицы электронного тока. Иными словами, он показывает среднее количество поочередных циклов ионизации в разряде, рекомбинации на поверхности коллектора и возвращения в разряд для повторной ионизации для каждого отдельного атома рабочего тела. Он может быть выражен через отношение электронного тока к массовому расходу рабочего тела, пересчитанному в эквивалентные амперы:

Цена электрона определяет мощность, затраченную на создание единицы электронного тока, и определяется формулой:

где U – напряжение между коллектором и мишенью [В], P – подведенная ВЧ мощность [Вт], I – сила электронного тока [А].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Работа катода с индуктивным разрядом

На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики, полученные при работе катода с индуктивным разрядом. Мощность ВЧ генератора в работе составляла 50 Вт. При этом 2 см катод, так же как и 4 см, демонстрировал малый ток на напряжениях до

25 В для различных расходов. Далее кривая, так же как и в предыдущих исследованиях, делает скачок до 0.78 А на расходе 7 sccm [7]. Несмотря на уменьшение объема ГРК в 8 раз, а коллектора в 2.5 раза, достигнутый электронный ток на тех же параметрах имеет значения сопоставимые с величинами тока в 4 см конструкции.

Рис. 4.

Вольт-амперные характеристики индуктивного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

На рис. 5 представлены характеристики эффективности исследуемого катода. Эти кривые цены электрона в зависимости от коэффициента газовой эффективности также имеют форму характерную ранним исследованиям [7]. Как видно из графика, 2 см катод также сравним по характеристикам с лабораторным образцом большего размера.

Рис. 5.

Характеристика зависимости коэффициента использования рабочего тела от цены электрона индуктивного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

Работа катода с геликонным разрядом.

Для работы катода с геликонным разрядом в конструкции была установлена обойма постоянных магнитов. Значение магнитной индукции в центре камеры, замеренное теслометром, составляло 0.6 мТл, что удовлетворяет, приведенным выше, условиям существования геликонного разряда.

На рис. 6 представлена вольт-амперная характеристика полученная при работе катода в таком режиме. При мощности ВЧ генератора 50 Вт, удалось достигнуть тока 0.87 А на расходе ксенона 6 sccm. Результаты свидетельствуют о незначительном смещении значения “оптимального” расхода катода по сравнению с индуктивным разрядом, а кроме того об увеличении тока катода.

Рис. 6.

Вольт-амперные характеристики геликонного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

На рис. 7 также представлены характеристики эффективности катода в геликонном разряде, где ясно видно, что значения цены электрона и газовой эффективности улучшились, что свидетельствует о более эффективном поглощении ВЧ мощности плазмой.

Рис. 7.

Характеристика зависимости коэффициента использования рабочего тела от цены электрона геликонного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследований разработан лабораторный образец ВЧ катода с индуктивным/геликонным разрядом. Проведены эксперименты по изучению характеристик данного образца. Нужно отметить, что ВЧ разряд в устройствах малого диаметра обладает повышенной эффективностью при работе с ВЧ генераторами большей частоты, поэтому в дальнейшем планируется провести серию дополнительных экспериментов с генераторами на других частотах. И хотя эффективность 2 см катода оказалось немного ниже, чем у 4 см, можно уже сделать некоторые выводы о возможностях масштабируемости устройства.

Использование геликонного разряда ожидаемо дало прирост эффективности работы катода, однако необходимо помнить, что масса используемой магнитной системы весьма существенна по сравнению с общей массой устройства.