Разработка высокоэффективной газоразрядной камеры плазменно-ионного двигателя малой мощности (50-150 Вт)

Плазменно-ионные двигатели (ПИД) малой мощности (от нескольких десятков ватт до нескольких сотен ватт) могут эффективно применяться на малых космических аппаратах (массой менее 1000 кг) при решении задач функционирования аппаратов наблюдения и связи в околоземном космическом пространстве (компенсация аэродинамического сопротивления низкоорбитальных космических аппаратов, довыведение на рабочую орбиту, коррекция рабочей орбиты и др.) [1].

Разработка ПИД [2] началась практически одновременно в СССР и США в конце 50-х — начале 60-х годов. Несколько позже были начаты работы по ПИД во Франции, ФРГ, Великобритании, а затем и в Японии. В 1963;1964 гг. прошли первые летные испытания российских моделей плазменно-ионных двигателей в составе ионосферной лаборатории «Янтарь». На основе накопленного в нашей стране опыта была создана двигательная установка (ДУ) «Агат» на базе цезиево-го плазменно-ионного двигателя ИДОР-ЮО мощностью 500 Вт. ДУ «Агат» предназначалась для компенсации аэродинамического сопротивления низкоорбитального искусственного спутника Земли (ИСЗ). Опытные образцы этой ДУ прошли полный цикл наземной отработки, но продолжение эта работа не нашла.

В целом совокупность выполненных в нашей стране исследований и разработок позволила создать физико-технические основы инженерного расчета, проектирования, конструирования, наземной отработки и летных испытаний плазменно-ионных двигателей и источников ионов. В настоящее время в Центре Келдыша проводятся совместно с МАИ разработка и испытания лабораторных моделей плазменно-ионного двигателя на ксеноне с диаметрами газоразрядной камеры 5- и 10-см.

К данному моменту за рубежом разработаны и прошли летные испытания ПИД в диапазоне мощностей 200−640 Вт, ведутся разработки ПИД мощностью менее 250 Вт и двигательных установок на базе связок ПИД с мощностью отдельного двигателя на уровне сотен ватт.

Опыт разработки и исследований плазменно-ионных двигателей различных типоразмеров свидетельствует о том, что при снижении уровня энергопотребления двигателя и, соответственно, его размеров снижается КПД двигателя за счет увеличения энергетической цены иона при сравнимых значениях коэффициента использования рабочего тела. Затраты на ионизацию в этом случае вырастают вследствие заметного ухудшения вероятности ионизации атомов рабочего тела электронами в плазме газоразрядной камеры (ГРК) и увеличения вероятности рекомбинации ионов на стенках ГРК при уменьшении ее геометрических размеров.

В настоящее время не создано эффективно работающих плазменно-ионных двигателей номинальной мощностью менее 300 Вт, поэтому остается актуальной задача создания малогабаритных газоразрядных камер с низкой ценой иона в сочетании с высоким коэффициентом использования рабочего тела.

Настоящая работа посвящена анализу рабочих процессов в ГРК ПИД малой мощности с целью выбора рациональной геометрии и параметров разряда и магнитной системы, обеспечивающих достижение высоких интегральных параметров.

Задачи исследования определены следующим образом:

1) Осуществление экспериментальной отработки лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя с варьированием параметров, оказывающих наиболее существенное влияние на рабочий процесс в ГРК: длины катодного полюсного наконечника (КПН), диаметра КПН, диаметра катодного отражателя (баффла), его положения относительно КПН, расположения катода в катодном полюсном наконечнике, тока в катушках электромагнита, — и выбор рациональной геометрии. В качестве критерия выбора служит сравнение зависимостей цены иона от коэффициента использования рабочего тела;

2) Получение распределений параметров плазмы (концентрации и температуры электронов, потенциала электрического поля) внутри ГРК с помощью зондового метода;

3) Сравнение параметров физических процессов, происходящих в ГРК двигателя, и соотнесение их с изменением интегральных параметров;

4) Определение путей дальнейшего совершенствования модели и выработка рекомендаций, полезных при разработке ГРК ПИД малой мощности близких типоразмеров.

Научная новизна работы:

1. На основании исследований рабочих параметров был впервые осуществлен выбор области рациональных параметров магнитной системы газоразрядной камеры лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя, работающего в диапазоне мощностей 50. 150 Вт.

2. Впервые разработана автоматизированная система зондовых измерений, позволившая определить локальные параметры плазмы в газоразрядной камере лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на номинальных режимах.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Выбрана область рациональных параметров геометрии магнитной системы газоразрядной камеры для лабораторной модели 5-см плаз-менно-ионного двигателя, работающего в диапазоне мощностей 50. 150 Вт.

2. Выбранные параметры магнитной системы способствовали обеспечению высоких интегральных параметров лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя.

3. Разработана автоматизированная система зондовых измерений, позволяющая определять локальные параметры плазмы в газоразрядной камере лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на номинальных режимах.

4. Получены распределения локальных параметров плазмы в ГРК лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя малой мощности на рабочем режиме, позволившие обосновать выбор рациональных параметров магнитной системы. Данные распределения могут быть также использованы при физико-математическом моделировании процессов в ГРК ПИД.

5. Даны рекомендации по выбору геометрии газоразрядной камеры для плазменно-ионных двигателей малой мощности с характерным диаметром ГРК 5. .10 см.

На защиту выносятся:

1. Выбранная область рациональных геометрических параметров магнитной системы лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя.

2. Распределения локальных параметров плазмы в ГРК лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на рабочем режиме.

3. Автоматизированная система зондовых измерений, позволяющая определять локальные параметры плазмы в газоразрядной камере лабораторной модели плазменно-ионного двигателя малой мощности на номинальных режимах.

Апробация работы и научные публикации.

Диссертация выполнялась в течение 1997;2002 годов в Центре Келдыша и на кафедре 208 МАИ. Большинство экспериментальных исследований проведено в рамках научно-исследовательских работ институтов по темам «Ион» и «Вега» .

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах сектора № 2 каф. 208 МАИсеминарах и заседаниях каф. 208 МАИнаучно-технических советах отдела 120 Центра КелдышаВсероссийском межведомственном семинареХХШ научных чтениях по космонавтике, посвященных памяти академика С. П. Королева (Москва, 1999 г.) — 26-й международной конференции по электроракетным двигателям (Китакушу, Япония, 1999 г.). Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 2-х печатных работах и в ряде отчетов по НИР.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. В главе 1 рассмотрено современное состояние исследования и разработок ПИД, выделены задачи исследования и дано их обоснование. В главе 2 приведено описание экспериментального стенда, системы измерения рабочих параметров двигателя и ее погрешностей, методики проведения и обработки зондовых измерений локальных параметров плазмы в объеме ГРК. Приведены результаты определения ин.

выводы.

1. На основании исследований рабочих параметров для лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя при работе в диапазоне мощностей 50. 150 Вт была выбрана область рациональных параметров геометрии магнитной системы газоразрядной камеры.

2. Результаты поиска области рациональных параметров магнитной системы в лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя позволили обеспечить значения цены иона в диапазоне 305.395 Вт/А при коэффициенте использования рабочего тела 0.75.0.85 и напряжении разряда 39.40 В.

3. Разработана автоматизированная система зондовых измерений, которая позволяет определять локальные параметры плазмы в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя малой мощности на рабочих режимах. С помощью данной системы были получены распределения локальных параметров плазмы в исследуемой ГРК лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя на номинальном режиме: при токе пучка 72.75 мА и энергии ионов 600.900 эВ.

4. Обоснованность выбора рациональной геометрии магнитной системы для лабораторной модели 5-см плазменно-ионного двигателя была подтверждена результатами измерения локальных параметров плазмы в газоразрядной камере с помощью зондовой методики.

5. По результатам проведенной работы создана лабораторная модель плазменно-ионного двигателя малой мощности со следующими выходными параметрами: тяга — 2.2.5.4 мН, удельный импульс 27 000.40000 м/с, тяговый КПД 47.65% при мощности 60. 150 Вт без учета потерь электрической мощности и массы рабочего тела в нейтрализаторе.

6. Сформулированы рекомендации по выбору геометрии газоразрядной камеры для плазменно-ионных двигателей малой мощности с характерным диаметром ГРК 5. 10 см.

1. Зикеев М. В. Исследование околокатодной области электроракетных двигателей малой мощности. // ХХШ Королевские чтения по космонавтике. Тезисы докладов. — Москва, 1999.

2. Горшков O.A., Муравлев В. А., Акимов В. Н. и др. Анализ перспектив применения ЭРДУ с низким уровнем энергопотребления в составе малых КА и формирование требований к ДУ. Разработка конструкционной документации на лабораторные модели ионных двигателей. НИР «Ион», НТО инв. № 2332, Центр Келдыша, 1996 г.

3. Ашманец В. И., Григорьян В. Г., и др. Низкоорбитальные спутниковые системы с длительным сроком активного существования. Препринт МАИ 97/1, 1997.

4. Горшков O.A., Муравлев В. А., Акимов В. Н. и др. Экспериментальные исследования полых катодов, работающих при низкой мощности разряда. Комплексный анализ эффективности применения ЭРД в составе малых КА. НИР «Ион», НТО инв. № 2601, Центр Келдыша, 1997 г.

5. Горшков O.A., Муравлев В. А., Зикеев М. В., Акимов В. Н. и др. Выработка рекомендаций по созданию образцов ионных двигателей на стадии опытно-конструкторских работ. Формирование требований к ЭРДУ с ИД для перспективных КА. НИР «Ион», НТО инв. № 2941, Центр Келдыша, 1999 г.

6. Горшков O.A., Муравлев В. А., Зикеев М. В., Акимов В. Н. и др. Исследование взаимосвязи показателей эффективности орбитальных средств с уровнем технического совершенства ЭРДУ. Экспериментальные исследования доработанных ионных двигателей в диапазоне потребляемой мощности 50−500 Вт. НИР «Ион», НТО инв. № 2910, Центр Келдыша, 1998 г.

7. Горшков O.A., Муравлев В. А., Зикеев М. В. и др. Экспериментальные исследования интегральных характеристш^ионных двигателей с малогабаритными разрядными камерами. Создание автоматизированной базы данных по ЭРД и ЭРДУ для малых КА. НИР «Ион», НТО инв. № 2705, Центр Келдыша, 1997 г.

8. Вершков К. Э., Гончаров Л. А., Обухов В. А. и др. Инжектор ионов ксенона для эксперимента ДИОН. // VII Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. — Харьков, 1989.

9. Stephenson R.R. Electric Propulsion Development and Application in the United States. — 24th International Electric Propulsion Conference. IEPC-95−001, 1995.

10.Beattie J.R., Robson R.R., Williams J.D. 18-mN Xenon Ion Propulsion Subsystem.

— 22th International Electric Propulsion Conference. IEPC-91−010,1991. ll. Saccoccia G., Bartoli C. Electric Propulsion in Europe at the Gate of Applications.

— 30th Joint Propulsion Conference, AIAA 94−2733,1994.

12. Bond R.A., Martin A.R., Watson S.D. The Advanced Space Propulsion Programmes at AEA Technology, Culham Laboratory. — 22th International Electric Propulsion Conference. IEPC-91−007,1991.

13. Perrotta G. et all. Orbital Control and Manoeuvering of Lightsats/Synchronous Satellites: Assessment of New Ion Propulsion Technologies, Based on the Electron Cyclotron Resonance Phenomenon, to Improve the Performances of Thrusters in the Millinewton Range. — - 22th International Electric Propulsion Conference. IEPC-91−121, 1991.

14. Cirri G.F. et al. Low Thrust Ion Propulsion Activities at PROEL TECHNOLOGIE. — 23th International Electric Propulsion Conference. IEPC-93−107, 1993. jL.

15. Kitamura S. Review of Electric Propulsion Activities in Japan. — 24 International Electric Propulsion Conference. IEPC-95−002,1995.

16. Fearn D.G. A Study of the Throttling of the T5 Ion Thruster. — AIAA 96−3288, 1996.

17. Patterson M.J. Low-Power Ion Thruster Development Status. — AIAA 98−3347, 1998.

18. Nagano H. et al. On-Orbit Performance of ETS-VI Ion Engine Subsystem. — - 24th International Electric Propulsion Conference. IEPC-95−139,1995.

19. Severi A. et al. Neutralizer/Plasma Contactor Technologies: Review of Development Activities at Proel Technologie. — 24th International Electric Propulsion Conference. IEPC-95−199, 1995.

20. Антонова Т. Б. и др. Разработка высокочастотных ионных и импульсных плазменных двигателей, предназначенных для решения транспортных задач и задач управления КА на орбите. НТО НИИПМЭ МАИ, инв. № 34 325 В, 1995.

21. Crofton M.W. Evaluation of the T5(UK-10) Ion Thruster: Summary of Principal Results. — 24th International Electric Propulsion Conference. IEPC-95−091, 1995.

22. Nakamura Y. et al. Operations and Performances of a 5 cm Diameter Ion Thruster by Using Inert Gases. — AIAA 82−1924, 1982.

23. Канев C.B., Физико-математическая модель плазмы газоразрядной камеры ионного двигателя, Москва, МАИ, 1999. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

24. Грановский B.JI. Электрический ток в газе. Установившийся ток. — М.: Наука, 1971.

25. Смирнов Б. М. Физика слабоионизованного газа в задачах с решениями. — М.: Наука, 1985.

26. Форрестер А. Т. Интенсивные ионные пучки. — М.: Мир, 1992.

27. Чен Ф.

Введение

в физику плазмы. — М.: Мир, 1987.

28. Bechtel R.T. Performance and Control of a 30-cm-diam, Low-Impulse, Kaufman Thruster. — J. Spacecraft, vol.7, no. 1,1970.

29. Reader P.D. et al. A Submillipound Mercury Electron Bombardment Thruster. — J. Spacecraft, vol.7, no. 11,1970.

30. Hyman J. Development of a 5-cm Flight-Qualified Mercury Ion Thruster. — J. Spacecraft, vol.10, no. 8, 1973.

31. King H.J. Mercury Electron-Bombardment Thruster System. — J. Spacecraft, vol.5, no. 5, 1968.

32. Masek T.D., Pawlik E.V. Thrust System Technology for Solar Electric Propulsion. — J. Spacecraft, vol.6, no. 5, 1969.

33. Kaufman H.R. Ion-Thruster Propellant Utilization. — J. Spacecraft, vol.9, no. 7, 1972.

34. Poeschel R.L. et al. Study and Optimization of 15-cm Kaufman Thruster Discharge. — J. Spacecraft, vol.7, no. 1, 1970.

35. Bechtel R.T. Discharge Chamber Optimization of the SERT П Thruster. — J. Spacecraft, vol.5, no. 7, 1968.

36. Латышев Л. А., Обухов В. А., Ситин Е. С., и др. Расчет параметров плазмы в ксеноновом источнике с периферийным магнитным полем// V Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. — М.: Наука, 1982.

37. Обухов В. А., Григорьян В. Г., Латышев Л. А. Источники тяжелых ионов// Плазменные инжекторы и ионные ускорители. Под редакцией Козлова Н. П., Морозова А. И. — М.: Наука, 1984.

38. Бекрев М. Ю., Волкова Л. М., Вершков К. Э., и др. Исследования параметров плазмы в цезиевом источнике ионов с расходящимся магнитным полем// V Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. — М.: Наука, 1982.

39. Панасенков А. А., Равичев С. А. Ионный источник с периферийным магнитным полем// V Всесоюзная конференция по плазменным ускорителям и ионным инжекторам. Тезисы докладов. — М.: Наука, 1982.

40. King H.J., Poeschel R.L. and Ward J.W. A 30-cm, Low-Specific-Impulse, Hollow-Cathode, Mercury Thruster. — J. Spacecraft, vol.7, no. 4,1970.

41. Knauer W., Poeschel R.L. and Ward J.W. Radial Field Kaufman Thruster. — J. Spacecraft, vol.7, no. 3,1970.

42. Bechtel R.T., Csiky G.A. and Byers D.C. Performance of a 15-centimeter Diameter, Hollow-Cathode Kaufman Thrustor. — AIAA Paper 68−88, 1968.

43. Patterson M.J., Oleson S.R. Low-Power Ion Propulsion for Small Spacecraft. -AIAA 97−3060, 1997.

44. Longhurst G.R., Wilbur P.J., Plasma Property and Performance Prediction for Mercury Ion Thrusters. — AIAA Paper 79−2054, 1979.

45. Nakamura J., Performance Design of 10-mN Ion Thruster. — AIAA Paper 82−1916, 1982.

46. Wilbur P.J., Effects of the Hollow Cathode Discharge on Throttled Ion Thruster Performance. — AIAA Paper 72−421.

47. Квасников Л. А., Латышев Л. А., Севрук Д. Д., Тихонов В. Б., Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1984.

48. Gorshkov O.A., Grigor’yan V.G., Muravlev V.A. Development of the Low-Power Xenon Ion Thruster for Lightweight Satellites. — Journal of Propulsion and Power, v.16, No. 6, 2000.

49. Жакупов А. Б., Влияние граничных условий на рабочие процессы и интегральные характеристики ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, Москва, МАИ, 1996. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

50. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1974.

51. Gorshkov О. A. and Zikeyev M.V. Investigation of Near-Cathode Area of 5-cm Ion Thruster: A Current State of Work. — 26th International Electric Propulsion Conference, October 17−21, Kitakyushu, Japan, 1999.

52. Акимов B.H., Муравлев B.A., Зикеев M.B. и др. Обзор состояния и перспектив применения ИД на КА различного целевого назначения. Экспериментальная отработка узлов 30-см ИД. Разработка и изготовление системы зон-довых измерений параметров плазмы газоразрядной камеры ИД. НИР «Вега», НТО инв. № 3442, Центр Келдыша, 2001 г.

53. Григорьян В. Г. и др., НТО «Экспериментальные исследования пережатой щелевой ионно-оптической системы», инв. № 35 201 В, МАИ, 1997.

54. Brophy J.R., Wilbur P.J., «Electron Diffusion Through the Baffle Aperture of a Hollow Cathode Thruster», AIAA-79−2060.

55. Langmuir I., Blodgett K., Phys. Rev., 22, 347 (1923) — 23, 49 (1924).

56. Langmuir I., Mott-Smith H., Gen. Electr. Rev., 27, 449, 538, 616, 762, 810 (1924).

57. Tonks L., Langmuir I., Phys. Rev., 27, 876 (1929).

58. Druyvesteyn M.J., Zs. Phys., 64, 790, 6 (1930).

59. Druyvesteyn M.J., Warmoltz N., Phyl. Mag., 17,1 (1935).

60. Johnson E.O., Malter L., Phys. Rev., 76, 1411 (1949).

61. Johnson E.O., Malter L., Phys. Rev., 80, 58 (1950).

62. Ионов Н. И., ЖТФ, 34, 769 (1964).

63. Методы исследования плазмы / Под ред. Лохте-Хольгревена В.: Пер. с англ./ Под ред. Лукьянова С. Ю. — М.: Мир, 1971.

64. Langmuir I., Tonks L" Phys. Rev., 34, 876 (1929) — 33, 1070 (1929).

65. Bernstein I.B., Rabinowitz I.N., Phys. Fluids, 2,112 (1959).

66. Lam S.H., Phys. Fluids, 8, 73 (1965).

67. Wenzl F., Zs. Angew. Phys., 2, 59 (1950).

68. Козлов O.B., Электрический зонд в плазме, М.: Атомиздат, 1969.

69. Райзер Ю. П., Физика газового разряда, М.: Наука, 1987.

70. Диагностика плазмы / Под ред. Хаддлстоуна Р.: Пер. с англ. / Под ред. Лукьянова С. Ю. — М.: Мир, 1967.

71. Strickfaden W.B., Geiler K.L. Probe Measurements of the Discharge in an Operating Electron Bombardment Engine, AIAA Journal, том 1, № 8, 1815−1822, август 1963.

72. The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Fields. Ed. by A. Guthrie and R. Wakerling, N.Y., 1949.

73. Schonhuber M.J., Zs. Angew. Phys., 15, 454 (1963).

74. Schneider W.H., Acta Phys. Austriaca, 10, 54 (1956).

75. Medicus G., Diffusion and Elastic Collision Losses of the «Fast Electrons» in Plasmas, Journal of Applied Physics, том 29, № 6, 903−908, июнь 1958.

76. Medicus G., Simple Way to Obtain the Velocity Distribution of the Electrons in Gas Discharge Plasmas from Probe Curves, Journal of Applied Physics, том 27, № 10,1242−1248, октябрь 1956.

77. Milligan D.J., Gabriel S.B., Investigation of the Baffle Annulus Region of the UK25 Ion Thruster, AIAA 99−2440, июнь 1999.

78. Wells A.A., Current Flow Across a Plasma «Double Layer» in a Hollow Cathode Ion Thrustor, AIAA 72−418, апрель 1972.

79. Гончаров Л. А., Кралькина E.A., Влияние условий ввода быстрых электронов на характеристики ксенонового источника ионов, VI Всесоюзная конференция. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. Днепропетровск, 1986. Тезисы докладов.

80. Bugrova A.I., Desyatskov A.V., Morozov A.I., Kharchevnikov V.K., Probe Investigations of the Discharge Reconstruction at the Dusting of the Channel Work Surfaces, IEPC-95−69, сентябрь 1995.

81. Бугрова А. И., Морозов А. И., Харчевников В. К., Измерение дрейфового тока в канале УЗДП зондовым методом, ЖТФ, том 55, № 6, 1985.

82. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., ГИТТЛ, 1952.

83. Физические величины. Справочник под ред. И. С. Григорьева, Е.З. Мейлихо-ва. М., Энергоатомиздат, 1991.

84. ТУ 14−8-447−83 с изм. № 1,2 «Изделия муллитокремнеземистые и корундовые для защиты термопар» .

85. Muravlev V.A., and Shagayda А.А., Numerical Modelling of Extraction Systems in Ion Thrusters, IEPC 99−162, октябрь 1999.

86. Муравлев B.A., Зикеев M.B. и др. Доработка лабораторной модели 30-см ИД с номинальной мощностью 1,9 кВт. Экспериментальное исследование локальных параметров плазмы газоразрядной камеры ИД. НИР «Вега», НТО инв. № 3553, Центр Келдыша, 2001 г.

87. Плешивцев Н. В., Катодное распыление, М.: Атомиздат, 1968.

88. Горшков О. А. и др. Исследования и экспериментальные работы по созданию электроракетных двигателей и двигательных установок для космических аппаратов. НИР «Эрстед», этап 3.1, НТО инв. № 2824, Центр Келдыша, 1998 г.

89. Графов Д. Ю., Муравлев В. А., Зикеев М. В. и др. Изготовление лабораторной модели ионного двигателя с номинальной мощностью 1.9 кВт и проведение предварительных испытаний. НИР «Ион-2», НТО инв. № 3209, Центр Келдыша, 2000 г.

90. Григорьян В. Г. и др., НТО «Исследование совместной работы газоразрядной камеры с пережатой ионно-оптической системой», инв. № 35 285 В, МАИ, 1997 г.