Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель с анодным слоем

научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С АНОДНЫМ СЛОЕМ ПРИ МОЩНОСТЯХ ДО 1000 ВТ Энергетика

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С АНОДНЫМ СЛОЕМ ПРИ МОЩНОСТЯХ ДО 1000 ВТ»

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С АНОДНЫМ СЛОЕМ ПРИ МОЩНОСТЯХ ДО 1000 Вт

© 2014 г. Д.Н. АЛЕКСЕЕВ4, М.К. МАРАХТАНОВ2, А.В. ПИЛЬНИКОВ1, В.В. СИНЯВСКИЙ2 3

1 Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш),

г. Королёв, Московская обл.

2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ)

3ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва» (РКК«Энергия»),

г. Королев, Московская обл.

4Институт аналитического приборостроения РАН(ИАПРАН), г. Санкт-Петербург E-mail: Viktor.Sinyavsky@rsce.ru

Предложенные в работе методика и результаты экспериментального определения полного энергетического баланса включают одноступенчатые двигатели с азимутальным дрейфом электронов. В качестве экспериментальной модели выбран одноступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС) мощностью 200—800 Вт при работе на ксеноне. На основе экспериментальных данных определено прианодное падение потенциала. Методом задерживающего потенциала и интегрированием тормозных характеристик были определены средние энергии ионов пучка. Определены полный ионный ток пучка и его мощность (полезная мощность ДАС). Исследования проводились для режимов при минимальном потоке тепла в анод для двух типов геометрий полюсов магнитной системы, характеризующих разные продольные градиенты индукции магнитного поля в газоразрядном канале. Экспериментально установлено, что со снижением градиента индукции магнитного поля в канале энергетическая эффективность двигателя ухудшается. Результаты работы могут быть распространены и на двигатели больших мощностей.

Ключевые слова: двигатель с анодным слоем (ДАС), энергетический баланс, при-анодное падение потенциала, прикатодное падение потенциала, полный ионный ток пучка, тепловая мощность в анод, оптимальный двигательный режим, средняя энергия ионов, функции распределения ионов по энергиям.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ENERGY BALANCE OF HALL THRUSTER WITH ANODE LAYER ON POWER UP TO 1000 W

D.N. Alexeev4, M.K. Marakhtanov2, A.V. Pilnikov1, V.V. Sinyavskiy2,3

1 Central Engineering Research Institute (TsNIIMash), Korolev, Moscow Region 2Bauman Moscow State Technical University 3 S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energía (RSP Energia), Korolev, Moscow Region 4 Institute for Analytical Instrumentation RAC (IAIRAC), Sankt-Petersburg E-mail: Viktor.Sinyavsky@rsce.ru

Presented in this paper methodology and an experimental observation of total energy balance encompass one-stage Hall effect thrusters. A 200—800 W one-stage thruster with an anode layer (TAL) was chosen as an experimental model working on xenon gas. An anode potential fall was determined based on experimental data. The mean plume ion energy was determined by retarding potential technique and retarding potential integration. Likewise, a total plume ion current and plume power (TAL effective power) were determined. Investigations were conducted for two minimal anode heat flow modes with two magnetic poles geometric configurations which characterize different axial magnetic field component gradient in gas discharge channel. The experiments show that the TAL energy efficiency falls while the magnetic field induction gradient in channel decreases. Experimental results can be extended to high-power thrusters.

Key words: thruster with anode layer (TAL), energy balance, anode sheath voltage, cathode sheath voltage, total plume ion current, anode heat flow, optimal thruster mode, mean plume ion energy, ion distribution function.

Вопросы использования плазменных электроракетных двигателей (ЭРД) холлов-ского типа мощностей (100—300 Вт) для малых космических аппаратов (МКА), (1300— 4500 Вт) для геостационарных спутников связи, а также (30—100 кВт) в двигательных установках (ДУ) современных транспортных космических аппаратов (КА) становятся все более актуальными. Плазменные двигатели типа СПД-100В мощностью 1350 Вт используются в двигательных установках телекоммуникационных КА на геостационарной орбите (ГСО) со сроком активного существования (САС) порядка 15—20 лет [1]. В задачах довыведения КА с промежуточных опорных орбит на ГСО идут разработки ДУ с использованием двухрежимных плазменных ЭРД типа СПД-140Д либо Д-90 [2].

В межорбитальных транспортных операциях планируется применение плазменных ЭРД с азимутальным дрейфом электронов или ионных двигателей в несколько десятков киловатт [3, 4]. Для создания межпланетных транспортных комплексов рассматриваются магнитоплазмодинамические двигатели мощностью более 200 кВт [5]. В последнее время для создания МКА и низкоорбитальных КА с большим САС [6] проявляется все больший интерес к высокоэффективным ЭРД мощностей

Вопросы проектирования плазменных двигателей с азимутальным дрейфом независимо СПД или ДАС, моделирование в них физических процессов и дальнейшей экспериментальной отработки требуют детального изучения их энергетического баланса. В данной работе определяется тепловой поток в анод, средняя энергия ионов и полный ионный ток пучка, представляется полный энергетический баланс одноступенчатого ДАС, работающий в двигательном режиме (на горизонтальном участке вольт-амперной характеристики (ВАХ)) при мощностях 220—820 Вт (на ксеноне).

Экспериментальная установка и схема измерений

Экспериментальная модель двигателя диаметром средней линии dср = 40 мм была выполнена в варианте стыка, т.е. с помощью вакуумного уплотнения стыковалась к одному из окон вакуумной камеры [7]. Это позволило анод двигателя изготовить водо-охлаждаемым и с помощью калориметрирования контролировать тепловой поток в анод при разных режимах работы двигателя. Экспериментальная модель и схема измерений представлены на рис. 1.

Следует отметить, что в литературе не описано экспериментальное исследование полного энергетического баланса СПД и одноступенчатого ДАС в стационарном режиме двигателя. Первая попытка связать интегральные энергетические характеристики СПД «АТОН» с локальными параметрами плазмы в канале была сделана [8]. Физические исследования ДАС, работающих в стационарном режиме, в последнее время

Рис. 1. Схема экспериментальной модели двигателя: 1 — магнитная система; 2 — катушка электромагнита; 3 — анод—газораспределитель; 4 — полюсы магнитной системы; 5 — плазменный катод—нейтрализатор; 6 — коллектор

практически приостановлены и не проводятся. Есть несколько работ по модели ДАС, аналогичной с рассматриваемой в данной работе, но они в основном посвящены нестационарным режимам работы двигателя [9, 10].

Определение энергетического баланса ДАС, рассматриваемого в данной работе, сводится к определению соотношений между подводимой к нему мощностью, мощностью, выделяемой на аноде и катоде, мощностью ионного пучка и мощностью, выделяемой на стенках ускорительного канала. Мощность, подводимая к двигателю от источника электропитания, характеризуется мощностью вкладываемой в разряд и определяется значениями разрядного тока 1р и разрядного напряжения ир, которые контролируются цифровыми приборами. Все результаты исследований по определению энергетического баланса двигателя приведены для ширины газоразрядного канала Н1 = 8 мм и Н3 = 12 мм.

Определение тепловой мощности, поступающей из плазмы разряда в анод

Мощность, выделяемая на аноде, определяется тепловым потоком, поступающим из плазмы разряда в анод Qта, который переносят электроны и характеризуется прианодным падением потенциала ?7а.

Измерение теплового потока в анод проводилось путем измерения температуры охлаждающей воды на входе и выходе из анода после установления стационарного теплового режима, который составлял 30—60 мин с момента включения двигателя и зависел от подводимой мощности Жр. Мощность, подводимая к двигателю N = 1рир, за время выхода на постоянный тепловой режим была постоянной.

Тепловая мощность, поступающая из плазмы разряда в анод, определялась как

бхл = СррК( 1к — 1н) . (1)

Здесь Ср — теплоемкость воды; р, V — плотность и объемный расход воды; ?к, ?н — температура воды на выходе и входе в анод.

Рис. 2. Относительная тепловая мощность в анод на участках вольт-амперных характеристик, соответствующих ¡;Ш!П: 1 — Н1 = 8 мм; 2 — Н3 = 12 мм

Соответственно, относительная тепловая мощность в анод определяется:

бхл = РррУ(¡К — к)/1рир . (2)

Исследования проводились на модели двигателя с различной шириной Н ускорительного канала, т.е. фактически с различным градиентом индукции магнитного поля в канале VВГ Причем для каждого Н из многообразия режимов работы выбирался такой, при котором величина параметра обмена (параметр А.И. Морозова) ^ = 1р/1т была минимальной ^ = Фактически это означает, что для данного расхода 1т разрядный ток 1р был минимален, т.е. были минимальны потери тепла в анод, переносимые дополнительными электронами. Здесь 1т — расход рабочего вещества, выраженный в единицах силы тока. Этот режим работы двигателя, соответствующий минимальному 1р (ВАХ), был назван «двигательным». Остальные режимы считались аномальными. Для данной ширины канала Н из всех режимов при многообразии 1т обязательно находилась ВАХ, когда относительные тепловые потери в анод 0та/^р при ^ = из «двигательных» режимов были минимальны. Такой «двигательный» режим для данной Н был принят за «оптимальный двигательный режим». Это видно из рис. 2.

Исследования показали, что реализация условия ^ = происходила всякий раз при неизменной плотности потока плазмообразующего рабочего вещества = /¿к, где ¿к — площадь поперечного сечения ускорительного канала независимо от его ширины. Фактически для любого плазменного двигателя с азимутальным дрейфом электронов существует некая оптимальная величина плотности потока рабочего вещества, при которой тепловые потери в анод минимальны. Как показали исследования для ксенона, эта величина составляет ()ор = 800—1200 А/м2. При этом с увеличением ширины канала от Н1 = 8 мм до Н3 = 12 мм минимальное значение QTJNр увеличивается от 0,13

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.

Пoхожие научные работы по теме «Энергетика»

  • ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЭНЕРГОДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

ОНУФРИЕВ В.В., ОНУФРИЕВА Е.В., СИНЯВСКИЙ В.В. — 2009 г.

ГРИБКОВ А.С., ЕВДОКИМОВ Р.А., ЛЕГОСТАЕВ В.П., ЛОПОТА В.А., МАКСИМОВ В.А., ОСТРОВСКИЙ В.Г., СИНЯВСКИЙ В.В., ТУГАЕНКО В.Ю. — 2009 г.

Двухступенчатый двигатель с анодным слоем (варианты)

Владельцы патента RU 2406873:

Читать еще:  Чем двигатель b16 о

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД). Двухступенчатый двигатель с анодным слоем содержит катод — нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, который выполнен из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, которые смещены по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхности колец вне рабочей полости имеются кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец. Кроме того, внутреннее и наружное кольца составного катода ускорительной ступени могут упираться во фланцы, которые выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец, а кольца на выходе из двигателя могут иметь ступенчатую форму. Изобретение позволяет увеличить ресурс двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы, а также позволяет снизить массу и повысить экономичность. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Известен двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС) [1], содержащий кольцевые катоды и анод-газораспределитель, образующие разрядную ступень, причем кольцевые катоды одновременно являются анодами ускорительной ступени, и кольцевые катоды ускорительной ступени. Обе ступени размещаются в кольцевом зазоре магнитной системы, состоящей из электромагнита и магнитопровода с полюсами. Катоды и аноды изготовлены из молибдена.

Недостатком такого ДАС является сравнительно небольшой ресурс работы вследствие большого катодного распыления молибденовых электродов. Так четырехсотчасовые испытания ДАС на висмуте показали, что скорость уноса молибденовых катодов составляла

(1/7-1,9)10 5 г/К [2]. Это означает, что даже при токе 5 А длина кольцевых катодов за каждые 1000 часов уменьшается на 10-15 мм.

Из предлагаемых путей увеличения ресурса ДАС наиболее существенным является замена материала катодов на графит [2]. В работе [3], посвященной исследованию эрозии разрядного канала ДАС, показано, что при испытаниях двухступенчатого ДАС общей продолжительностью до 1200 часов эрозии катодов первой ступени не наблюдалось. Приведены пути обеспечения ресурса двигателя.

1. Изготовление распыляющихся деталей из стойких к распылению материалов.

2. Увеличение толщины распыляемых электродов.

3. Сокращение глубины канала.

Второй и третий пути практически исчерпали свои возможности в современных конструкциях ДАС.

Наиболее близкий аналог ДАС [3] содержит катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени. При выполнении электродов из графита, коэффициент катодного распыления даже при больших энергиях ионов (при напряжении в ускорительной ступени 2,5 кВ) снижается в

2-3 раза. Именно высоковольтный режим ДАС, обеспечивающий высокую удельную тягу двигателя, определяет его преимущество по сравнению со стационарным плазменным двигателем (СПД). Однако серия 30-часовых эрозионных испытаний двухступенчатого ДАС в высоковольтном режиме, проведенных в ЦНИИМаш, и серия 300-часовых испытаний, проведенных в ИЦ Гленна (США), показали, что скорость эрозии графитовых катодов в плоскости полюсов магнитной системы составляет величину примерно 3,2-3,3 мкм/ч, т.е. более 3 мм за 1000 часов работы ДАС. При обеспечении ресурса ДАС в 10000 часов эрозия катода ускорительной ступени должна составить более 30 мм, что недопустимо, т.к. это привело бы к значительной эрозии магнитных полюсов, сопровождаемой деградацией характеристик двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы.

Для решения поставленной задачи в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Кроме того, поставленная задача может быть решена тем, что в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненых в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Техническим результатом использования предлагаемого устройства является снижение массы, повышение экономичности, т.к. отпадает необходимость использования резервного двигателя.

На фиг.1 представлен вариант выполнения ДАС; на фиг.2 схематично показано последовательное состояние катода ускорительной ступени в выходной части во время работы двигателя по первому варианту; фиг.3 — второй вариант выполнения ДАС; фиг.3 — последовательное состояние выходной части катода ускорительной системы по второму варианту (схематично).

ДАС содержит кольцевые анод-газораспределитель 1, катод разрядной ступени 2, которые через изоляторы 3 неподвижно установлены на магнитопроводе 4. Катод ускорительной ступени выполнен составным и состоит из кольцеобразного корпуса 5 и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода 4 и неподвижно смонтированных в двигателе анода-газораспределителя 1, катода разрядной ступени 2 и корпуса 5 внутреннего 6 и наружного 7 колец катода ускорительной ступени. При этом кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени подпружинены относительно корпуса 5 пружинами 8 в направлении выхода из двигателя и упираются в систему радиально установленных на внутреннем 9 и наружном 10 полюсах магнитопровода 4 штифтов (вариант 1), выполненных, например, из графита или из керамического материала, имеющего коэффициент катодного распыления, близкий к графиту. Система штифтов состоит, например, из двух рядов — внешнего 11 и внутреннего 12, смещенных в осевом направлении к выходу из двигателя. Во внешний ряд 11 упираются кольца 6 и 7, внутренний ряд 12 расположен в пазах 13, выполненных на внешних, вне рабочей полости, поверхностях выходных участков колец 6 и 7. Кроме того, наружные цилиндрические поверхности колец 6 и 7, вне рабочей полости двигателя, содержат кольцевые ограничительные выступы 14. В исходном состоянии пружины 8 сжаты. На оси двигателя установлен катод-нейтрализатор 15, внутри магнитопровода 4 установлены электромагниты 16.

В варианте 2 внутреннее 6 и наружное 7 кольца подпружинены в направлении выхода из двигателя вдоль его оси как и в первом варианте и упираются во фланцы — внутренний 17 и наружный 18, расположенные на полюсах 9 и 10 магнитопровода 4. Обращенные внутрь двигателя диаметры соответствующих друг другу колец и фланцев выполнены равными. Наружные, вне рабочей полости, цилиндрические поверхности колец 6 и 7 содержат кольцевые ограничительные выступы 14 и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму со ступенями 19. Фланцы 17 и 18 выполнены из немагнитного материала, коэффициент катодного распыления которого близок к коэффициенту катодного распыления материала колец.

Предлагаемые варианты двухступенчатых двигателей с анодным слоем работают следующим образом.

Рабочее тело, например ксенон, подают в анод-газораспределитель 1 и катод-нейтрализатор 15. Подают напряжение на электромагниты 16, напряжение между анодом-газораспределителем 1 и катодом разрядной ступени 2, а также между катодом разрядной ступени 2 (он же анод ускорительной ступени), катодом ускорительной ступени и катодом-нейтрализатором 15. Выводят двигатель на номинальный режим. При работе двигателя за счет катодного распыления графита колец 6 и 7 катода ускорительной ступени происходит уменьшение их длины и образование фаски на выходе колец 6 и 7 и штифтах 11 (см. фиг.2). Через несколько тысяч часов работы эрозия внешнего штифта 11 достигает такой величины (фиг.2а), при которой внешний ряд штифтов не является упором для подпружиненных колец 6 и 7 (или одного из них). Под действием пружин 8 кольца внутреннее 6 и наружное 7 (или одно из них) перемещаются до упора внутреннего штифта 12 в торец паза 13, в котором этот штифт расположен. Передвинувшиеся в направлении выхода из двигателя кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени восстанавливают первоначальное положение катода, защищающего магнитные полюса 9 или 10. При дальнейшей работе в течение нескольких тысяч часов продолжается эрозия выходной части колец 6 и 7 катода ускорительной ступени и штифтов внешних 11 и внутренних 12 до того момента, когда внутренний штифт 12, в который упирается подпружиненное кольцо, перестанет быть упором (фиг.2б). При отсутствии необходимости установки еще одного штифта, кольцо передвинется под действием пружины 8 до упора его кольцевого выступа 14 во внутреннюю плоскость полюса 9 или 10, вернув первоначальную геометрию выходной части катода ускорительной ступени относительно полюсов 9 и 10 (фиг.2в). Это обеспечивает защиту полюсов от эрозии, предотвращая деградацию характеристик двигателя.

Аналогичная эффективность при большей прочности может быть получена и в двухступенчатом двигателе с анодным слоем по второму варианту. Работа этого двигателя проиллюстрирована фиг.4. За первые несколько тысяч часов работы двигателя образующаяся в результате эрозии выходных торцов колец 6 и 7 и фланцев 17 и 18 фаска (фиг.4а) приводит к тому, что фланцы перестают быть упорами для подпружиненных колец 6 и 7. В результате чего указанные кольца передвинутся до упора фланцев 17 и 18 в следующие ступени 19. На фиг.4б, в, г показана схема последующих трех аналогичных переходов до упора последнего кольцевого выступа 14 колец 6 и 7 в полюса 9 и 10. При этом каждое перемещение колец может составлять величину в 6-7 мм, что компенсирует линейную эрозию колец 6 и 7, защищающих полюса 9 и 10 магнитной системы, равную 24-28 мм. При определенной экспериментально скорости эрозии

Читать еще:  Двигатель в угоне как быть

3 мк/ч в предложенном двигателе должна быть обеспечена защита полюсов, а следовательно, сохранение характеристик двигателя, в течение 8000-10000 часов его работы.

1. Гришин С.Д., Ерофеев B.C. и др. Характеристики двухступенчатого ионного ускорителя с анодным слоем. ПМТФ, 1978, №2, с.28.

2. Гришин Г.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.164.

3. Семенкин А.В., Солодухин А.Е. Исследование эрозии в разрядном канале многорежимного двигателя с анодным слоем. Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. ЦНИИмаш, 2006, с.111-117.

1. Двухступенчатый двигатель с анодным слоем, содержащий катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, отличающийся тем, что катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

2. Двухступенчатый двигатель с анодным слоем, содержащий катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, отличающийся тем, что катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». Эл № ФС 77 — 48211. ISSN 1994-0408

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Одной из проблем, возникающих при эксплуатации электрических ракетных двигателей (ЭРД) в космических условиях является влияние струи двигателя на телеметрическую аппаратуру, солнечные батареи и другие элементы конструкции космических аппаратов (КА). Для снижения отрицательного влияния ионного пучка на точную аппаратуру спутника, при его проектировании учитывается «область влияния», экспериментально определяемая для каждого изготовленного образца ЭРД [1]. Для уменьшения этой области разработчики двигателей решают задачи фокусировки пучка ионов и компенсации физических процессов, приводящих к их отклонению от номинальной траектории.

Одним из наиболее перспективных двигателей является двигатель с анодным слоем (ДАС) [2]. Принцип работы двигателя основан на ионизации и бездиссипативном ускорении ионов рабочего вещества в поперечном магнитном поле в кольцевом канале, заполненном частично замагниченной квазинейтральной плазмой. Ранее [2, 3, 4] было показано, что одной из причин расхождения струи ДАС является азимутальная закрутка ионов под действием магнитного поля.

При азимутальном повороте в поперечном магнитном поле траектория иона отклоняется на угол a и перестает быть параллельной оси канала ускорителя, пучок «расходится», его цилиндрическая форма искажается. Угол азимутального поворота ионов α может быть оценен по формуле, полученной в [4]:

(1)

Где, – индукция магнитного поля, – энергия иона, – заряд иона, – атомная масса, – координата рождения иона.

Рассмотрим двигатель со средним диаметром канала D , из которого выходит пучок ионов, с углом азимутальной закрутки α (рис. 1). Расположим систему координат так, чтобы ось OZ совпадала с осью двигателя, а плоскость XOY лежала на срезе ускорительного канала. Рассмотрим произвольную точку А, лежащую на срезе канала двигателя (считаем ширину каналу малой по отношению к диаметру). Ионный пучок, проходящий через эту точку, движется под углом a по отношению к нормали и распространяется вдоль прямой a . Через каждую точку на срезе ускорительного канала двигателя проходит такой же ионный пучок и вместе они образуют фигуру вращения, образующей которой будет являться прямая a . При пересечении этой фигуры вращения с плоскостью ZOX или ZOY мы получим продольный профиль ионного пучка за срезом ускорительного канала. Если угол a =0 то пучок будет цилиндрическим. Покажем, что если a пучок имеет форму однополостного гиперболоида, осью которого является ось двигателя, а продольный профиль ионного пучка является гиперболой с асимптотами, выходящими из начала координат под углом α к оси Z .

Рис. 1. Траектория иона с углом азимутального отклонения

Определим координаты какой либо точки на поверхности кольцевого ионного пучка за срезом ускорителя. Произвольно выбранную точку A соединим с началом координат O отрезком OA , имеющим длину R = D /2 . На оси OZ выберем точку O 1 на расстоянии z от центра координат. Через точку O 1 проведем плоскость параллельную срезу ускорителя. Прямая a будет пересекать эту плоскость в точке A 1 с координатами ( x , y , z ). Из точки A проведем перпендикуляр к этой плоскости, который будет пересекаться с ней в точке B . Для прямоугольного треугольника A 1 O 1 B можно записать:

( 2 )

Из треугольника ABA 1 для S получаем:

( 3 )

(4)

Подставим (3) и (4) в (2), перенесем члены, содержащие x , y , z в левую часть уравнения (2) и разделим полученный результат на R :

(5)

Поскольку точку A мы выбирали произвольно, то полученному уравнению будут удовлетворять все точки на поверхности ионного пучка. Выражение (5) является каноническим уравнением однополостного гиперболоида в декартовых координатах [ 5 ] .

Продольный профиль ионного пучка определим как пересечение гиперболоида с плоскостью ZOX из уравнения (5) при y =0:

(6)

Уравнение (6) является каноническим уравнением гиперболы в декартовых координатах [5]. Ветви этой гиперболы пересекают ось OX в точках x = ± R и ограничены асимптотами, пересекающими начало координат и повернутыми под углом ±α к оси OZ (рис. 2).

Рис. 2. Гиперболы, отвечающие уравнению (6).

На рис. 3 показаны расчетные продольные профили ионного пучка при различных углах азимутальной закрутки двигателя с диаметром ускорительного канала D =80 мм. Анализ графиков показывает, что даже при небольших углах α =3–4º уширение пучка относительно диаметра ускорительного канала двигателя может достигать 20–25 % на расстояниях порядка 0,5 м. При углах азимутальной закрутки α =12º уширение пучка становится равным 100 %.

Рис. 3. Расхождение пучка при различных углах азимутальной закрутки для двигателя с диаметром ускорительного канала D =80 мм.

Рис. 4. Расхождение пучка при угле азимутальной закрутки ионов α =12º и различных диаметрах ускорительного канала D двигателя.

На рис. 4 показаны расчетные продольные профили ионного пучка при угле азимутальной закрутки ионов α =12º и различных диаметрах ускорительного канала D двигателя. Из рис. 4 видно, что фиксированном расстоянии от среза двигателя уширение пучка относительно диаметра ускорительного канала двигателя растет при снижении диаметра канала.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что азимутальная закрутка ионов в ускорительном канале оказывает существенное влияние на расхождение ионного пучка в холловских двигателях. При азимутальной закрутке пучок ионов приобретает форму однополостного гиперболоида, расширяющегося за срезом ускорительного канала и ограниченного конусом с углом при вершине равным углу азимутальной закрутки a . Уширение ионного пучка на фиксированном расстоянии от среза двигателя будет зависеть от угла азимутальной закрутки и диаметра ускорительного канала двигателя.

1. Gulczinski F.S., Gallimore A.D., Carlson D.O., Gilchrist B.E. Impact of anode layer thruster plumes on satellite communications. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007. 8 p.

2. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1989. 216 с.

3. Воробьев Е.В., Духопельников Д.В., Ивахненко С.Г., Марахтанов М.К. Потеря тяги в двигателях с анодным слоем за счет азимутальной закрутки ионов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. Спец. выпуск «Ионно-плазменные технологии». С. 58-63.

4. Воробьев Е.В., Духопельников Д.В., Ивахненко С.Г., Жуков А.В., Кириллов Д.В., Марахтанов М.К. Холловский ускоритель с фокусированным пучком для наноразмерной обработки крупногабаритных зеркал оптических телескопов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. Спец. выпуск «Ионно-плазменные технологии». С. 35-41.

5. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука, 1980. 9 76 с .

Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 31.03.2016 2016-03-31

Статья просмотрена: 210 раз

Библиографическое описание:

Рахимов, Р. Г. Распределение нейтрального газа в двигателе с анодным слоем / Р. Г. Рахимов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 7 (111). — С. 152-156. — URL: https://moluch.ru/archive/111/27827/ (дата обращения: 19.09.2021).

В статье проводится исследование распределения нейтрального газа в анодном узле двухступенчатого холловского двигателя. В результате численного расчета методом конечных элементов рассмотрены несколько вариантов конструкции анодного узла двигателя; рассчитаны параметры потока газа для каждого случая; подсчитаны неоднородности потока по азимуту на входе в разрядные ступени. Представлена наиболее оптимальная геометрия анодного узла для стабильной работы двигателя.

Ключевые слова: электроракетный двигатель, метод конечных элементов, холловский двигатель, анодный узел, распределение нейтрального газа, плазма.

Исследования и разработка электроракетных холловских двигателей, основанных на движении электронов в скрещенных электромагнитных полях, были начаты еще в середине 60- х годов прошлого века и продолжаются до настоящего времени. Такие двигатели нашли широкое применение как маршевые двигатели малой тяги на космических аппаратах, а также для корректировки орбит геостационарных спутников [1,2]. Модифицированная схема холловского двигателя используется в качестве технологического источника ионов [3].

Читать еще:  Двигатель 4664 расход топлива

Еще на первом этапе разработки выделились две схемы холловского двигателя. Одна из которых имела металлические стенки разрядной камеры — двигатель с анодным слоем (ДАС), другая — диэлектрические стенки — стационарный плазменный двигатель (СПД).

Одной из наиболее перспективных модификаций ДАС является его двухступенчатая схема. Основная отличительная особенность этого двигателя состоит в том, что в нем разнесены области ионизации и ускорения ионов. Это позволяет устранить недостатки одноступенчатой модели: неравномерность распределения пучка ионов по энергиям и высокая теплонагруженность анода [4]. Из-за различия масс и кинетических энергий ионов, особенно для рабочих веществ с низкими атомными массами и газовых смесей, происходит расхождение и азимутальная закрутка пучка ионов. Следствием чего является потеря тягового КПД двигателя. Для решения проблемы азимутального поворота ионов применяют дополнительную компенсационную магнитную систему [5–7].

Большое количество статей об исследовании процессов, происходящих в электроракетных двигателях, посвящены параметрам разряда, конфигурации магнитных полей, эрозии электродов, распределению плотности плазмы и ионному току. Однако, динамике и распределению нейтрального газа в анодном узле в литературе уделено мало внимания [8,9], хотя, для стабильной работы двигателя на стационарных режимах необходима высокая азимутальная однородность распределения атомов рабочего вещества на входе в анодный узел разрядной ступени. Динамика рабочего газа обычно описывается такими параметрами, как распределение плотности частиц, скорость и поток нейтральных атомов, которые непосредственно связаны с различными параметрами плазмы. Оптимальное распределение рабочего вещества может положительно повлиять на производительность, срок службы и стабильность работы двигателя.

В данной работе исследовался двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС), имеющий дополнительную магнитную систему для компенсации азимутального поворота ионов (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема двухступенчатого ДАС: 1 — полюса магнитопровода; 2 — магнитопровод; 3 — компенсационная катушка; 4 — основная катушка; 5 — анодный узел; 6,7 — кольцевые электроды; 8 — анод первой ступени; 9 — изоляторы токоподвода

Анодный узел (рис. 1) двигателя служит одновременно как положительным электродом, так и газовым распределителем. Его геометрия имеет существенное влияние на динамику потока нейтральных атомов в разрядной камере. Из-за особенности конструкции, в газораспределительном канале содержится три изолятора, расположенные под углом 120 0 относительно друг друга. Эта особенность приводит к усложнению геометрии электродного узла, а также к возможности «запирания» газа в областях между изоляторами.

В ходе исследования рассматривалось влияние системы подачи газа и геометрии анодного узла на равномерность распределения потока нейтральных атомов на входах и выходах ступеней двигателя. Был поставлен численный эксперимент в котором двигатель находился в условиях вакуума (порядка 10– 5 Па). Рабочим газом был аргон, с молекулярной массой M= 0,0399 кг/моль, который подавался в анодный узел посредством штуцеров, с массовым расходом кг/с. При рассмотренном давлении длина свободного пробега гораздо больше, чем размеры канала, поэтому течение газа рассматривалось как свободно молекулярное. При этом число Кнудсена много больше единицы, атомы газа взаимодействуют с стенками канала чаще, чем между собой, и поток газа определяется в основном столкновениями с поверхностями.

Расчет производился методом конечных элементов. Предполагалось, что поток квазистационарный, время пролета частиц через геометрию гораздо больше, чем изменение всех потоков, на каждом временном шаге частицы поступают из источника мгновенно.

На границы канала накладывалось условие равенства между входящим потоком и потоком, отраженным от стен канала.

Рис. 2. Геометрия и поперечное сечение канала с одним штуцером

Геометрия канала разбивалась на множество треугольных элементов, образуя тем самым сетку, в узлах которой находилась искомая величина. Размер наименьшего элемента выбирался примерно одинаковым во всех случаях расчета, области близкие к входным и выходным сечениям анодных ступеней имели более густую сетку (рис. 3). Определялись входящие и исходящие потоки, плотность и давление.

Рис. 3. Вид конечно-элементной сетки

Были рассмотрены три вида геометрии анодного узла (рис. 4 а-в), с различным числом и расположением входных штуцеров.

Рис. 4. Расположение штуцеров при расчете

На первом этапе исследования рассматривалась геометрия с одним входным штуцером, расположение которого показано на рис. 4а. Для оценки распределения газа и параметров потока были вычислены значения всех искомых величин на входах и выходах с ускоряющей и ионизационных ступеней.

Рис. 5. Распределение потока газа в анодном узле

Для такой конструкции (рис. 4а) наблюдается сильная неоднородность потока частиц по азимуту как на первой ступени двигателя, так и на второй, что связано с практически полным «запиранием» газа в одной из областей между изоляторами (рис. 5)

Рис. 6. Распределение давления на входе в ионизационную ступень

Зазоры между изоляторами и стенками двигателя не справляются с перераспределением газа между областями, что негативно скажется как на поджиге разряда, так и выходе двигателя на стационарный режим. Так же из-за сильной неравномерности газа происходит повышение давления (рис. 6) в области «запирания», что приведет к пробою [10].

Для решения проблемы с «запиранием» газа между изоляторами были рассмотрены варианты анодного узла с тремя точками газоввода и расширением канала вблизи изоляторов. Первый вариант имел штуцеры расположенные с учетом упрощения технологических операций при производстве двигателя (рис. 4б). В другом, штуцеры располагались максимально симметрично относительно друг друга, при этом стенки канала вблизи изоляторов были расширены (рис. 4в).

Рис. 7. Распределение потока частиц на входе в разрядную ступень при различных геометриях

Геометрия с тремя штуцерами позволяет значительно увеличить равномерность потока нейтральных атомов. При этом неравномерность распределения потока на входе в разрядную ступень составляет 56 % от среднего значения. Так же в результате анализа была выявлена область А (рис. 4б), в которую газ поступает в меньшем количестве. Эта область дает ощутимый вклад в неравномерность потока рабочего газа.

В комбинированном варианте анодного узла была минимизирована область запирания А (рис. 4в), в которой наблюдался недостаток газа. Такая геометрия повысила равномерность потока примерно на 10 %.

На рис.7 изображены распределения потока частиц на входе в разрядную ступень при двух вариантах геометрии газодинамического канала с использование трех штуцеров. Штрих-пунктиром показан график, геометрия которого сочетает, как использование трех точек ввода газа, так и увеличение канала вокруг изоляторов. Сравнительный график показывает, что наиболее оптимальной геометрией анодного узла двигателя является комбинированная схема.

Заключение

В результате анализа численного расчета была выбрана наиболее оптимальная геометрия канала, по которому рабочий газ поступает к анодному узлу. Критерием выбора была равномерность распределения параметров потока по азимуту вблизи входа в ступени анодного узла. Наименьшая неравномерность потока частиц в указанных областях была выявлена для геометрии с тремя штуцерами и увеличенным пространством между изоляторам. Неравномерность для оптимальной геометрии составляет 47 %.

  1. Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П. Электрические ракетные двигатели» М.:«Машиностроение, 1975.
  2. Архипов А. С., Ким В. П., Сидоренко Е. К. Стационарные плазменные двигатели Морозова М.:Издательство МАИ, 2012.
  3. Духопельников Д. В., Воробьев Е. В., Ивахненко С. Г. Исследование и оптимизация характеристик ионного источника ИИ-200. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2011. № 10. С. 77.
  4. Sengupta A., Cappelli M., Tverdokhlebov S. An overview of the VHITAL program: Two-stage bismuth fed very high specific impulse thruster with anode layer. IEPC-2005–238, 29th International Electric Propulsion Conf. 2005. P. 1–13.
  5. Марахтанов М. К., Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Воробьев Е. В., Крылов В. И. Влияние азимутального отклонения ионов плазменной струи на тяговый кпд двигателя с анодным слоем. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 12. С. 17.
  6. Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г. Влияние азимутального отклонения ионов на форму пучка двигателя с анодным слоем. Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2012. № 10. С. 12.
  7. Воробьев Е. В., Духопельников Д. В., Ивахненко С. Г., Марахтанов М. К. Потеря тяги в двигателях с анодным слоем за счет азимутальной закрутки ионов. 2011. № SP3. С. 58–63.
  8. Reid, B. M. and Gallimore, A. D., Review of Hall Thruster Neutral Flow Dynamics, 30th
  9. International Electric Propulsion Conference, IEPC-2007–038, Florence, Italy, Sept. 17–20, 2007.
  10. Reid, B. M., Gallimore, A. D., Hofer, R. R., Li, Y. and Haas, J. M., Anode Design and Verification for a 6-kW Hall Thruster, JANNAF Journal of Propulsion and Energetics, 2, 1, 2009.
  11. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. Научное издание. 3-е изд., испр. и доп. -Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009. -736 с.
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector