CC BY
91УДК 621.455.4
экспериментальное исследование многодвигательной системы на базе нескольких одновременно работающих электроракетных двигателей с анодным слоем
© 2016 г. Захаренков Л.Э., Семёнкин А.в., Солодухин А.Е.
ГНЦ РФ-ФГУП «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша» (Центр Келдыша) Ул. Онежская, 8, г. Москва, Российская Федерация, 125438, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
Приведены результаты экспериментального исследования тягово-энергетических характеристик стендового образца многодвигательной системы на базе трех электроракетных двигателей с анодным слоем и характеристик плазменной струи, формируемой при их одновременном функционировании. Исследуются различные схемы системы электропитания для нескольких одновременно работающих электроракетных двигателей и их влияние на распространение электромагнитных колебаний по цепям многодвигательной системы. Рассмотрена возможность работы стендового образца с катодом-нейтрализатором, вынесенным за его габариты. Исследована устойчивость работы стендового образца при отклонении параметров одного из двигателей, входящих в его состав. Описываются методики измерений локальных и интегральных параметров струй двигателей с азимутальным дрейфом электронов. Приведены результаты сравнения характеристик плазменных струй многодвигательной системы и единичного двигателя, входящего в ее состав. Рассмотрено влияние условий проведения наземных испытаний электроракетных двигателей данного типа на измеряемые параметры плазменных струй.
Ключевые слова: двигатель с азимутальным дрейфом электронов, двигатель с анодным слоем, катод-нейтрализатор, плазменная струя, стендовый образец многодвигательной системы, тягово-энергетические характеристики, электроракетный двигатель, методики измерений параметров струй.
experimental study of multi-thruster system based on several simultaneously operating electric propulsion thrusters with anode layer
Zakharenkov L.E., Semenkin A.V., Solodukhin A.E.
The State Scientific Centre of Russian Federation - Federal State Unitary Enterprise
Research Centre named after M.V. Keldysh (Keldysh Research Centre) 8 Onezhskaya str, Moscow, 125438, Russian Federation, e-mail: kerc@elnet.msk.ru
The paper presents the results of an experimental study of thrust performance of a test-bench model of a multi-thruster system based on three electric propulsion thrusters with anode layer and of properties of a plasma plume formed during their simultaneous operation. The paper discusses various implementation schemes of the power supply system for several simultaneously operating electric thrusters. It presents the results of studies into propagation of electromagnetic oscillations over the circuits of a multi-thruster system when various power supply schemes are used. The paper discusses the possibility of operating the test-bench model with a neutralizing cathode moved outside the bulk of the model. The paper provides the results of studies into the stability of the test-bench model operation in case of deviation of parameters in one of its thrusters. The paper describes procedures for measuring local and integral parameters of jets from thrusters with azimuthal electron drift. It presents the results of comparison between the properties of plasma jets from a multi-thruster system and a single thruster within the system. It presents the results of studies into the effect of the conditions during ground testing of this type of electric thrusters on the measured parameters of the plasma jets.
Key words: thruster with azimuthal drift of electrons, thruster with anode layer, cathode neutralizer, plasma jet, test-bench model of a multi-thruster system, thrust performance, electric thruster, measurement procedure for jet parameters.
ЗАХАРЕНКОВ Леонид Эдуардович — кандидат технических наук, ведущий инженер Центра Келдыша, e-mail: leonzzz@mail.ru
ZAKHARENKOV Leonid Eduardovich — Candidate of Science (Engineering), Lead engineer at Keldysh Research Centre, e-mail: leonzzz@mail.ru
СЕМЁНКИН Александр Вениаминович — доктор технических наук, начальник отделения Центра Келдыша, e-mail: semenkin@kerc.msk.ru
SEMENKIN Alexander Veniaminovich — Doctor of Science (Engineering), Head of Department at Keldysh Research Centre, e-mail: semenkin@kerc.msk.ru
СОЛОДУХИН Александр Евгеньевич — кандидат технических наук, ведущий инженер Центра Келдыша, e-mail: solodukhin@kerc.msk.ru
SOLODUKHIN Alexander Evgen'evich — Candidate of Science (Engineering), Lead engineer at Keldysh Research Centre, e-mail: solodukhin@kerc.msk.ru
Введение
В настоящее время наблюдается возобновление интереса к созданию принципиально нового космического транспортного средства — буксира с мощной электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).
Проекты, направленные на создание мощных энергодвигательных модулей для освоения ближнего и дальнего космоса, разрабатывались с самого начала космической эры. Первый глубоко проработанный вариант подобного космического энергодвигательного модуля был выполнен в РКК «Энергия» под руководством М.В. Мельникова в рамках работ по проекту «Геркулес» [1]. Существенно, что этот проект во многом опередил подобные разработки за рубежом и имел очень большое значение для развития этого направления космической техники во всем мире. Полученные наработки определили проектный облик и многие технические решения, характерные для подобных объектов. В качестве источника энергии рассматривался термоэмиссионный реактор с выходной электрической мощностью до 500 кВт. ЭРДУ строилась по модульному принципу, причем в качестве электроракетных двигателей (ЭРД) рассматривались двигатели с замкнутым дрейфом электронов — стационарные плазменные двигатели
(Мурашко В.М. с коллегами, ОКБ «Факел») и двигатели с анодным слоем на висмуте (совместно РКК «Энергия» и ЦНИИмаш — Гришин С.Д., Сафронов И.Н., Семёнкин А.В., Твердохлебов С.О., Агеев В.П., Островский В.Г., Грицаенко В.П. с коллегами).
В рамках проекта энергодвигательного блока марсианского экспедиционного комплекса рассматривались мощные магнитоплаз-менные двигатели (Агеев В.П., Островский В.Г. с коллегами, РКК «Энергия»).
Образцы вышеупомянутых типов ЭРД большой мощности интенсивно исследовались в 1960-1980 гг., однако не нашли практического применения из-за нехватки бортовой мощности и остались на уровне лабораторных и экспериментальных образцов.
За последнее десятилетие возвращение к тематике мощных энергодвигательных модулей в мире вызвано стремительным ростом технологических возможностей, способных обеспечить высокий уровень энерговооруженности космических аппаратов (КА). Появившийся технологический задел в перспективе позволит реализовать на современном техническом уровне новое транспортное средство с высокой энерговооруженностью и мощной ЭРДУ для выполнения перспективных миссий в дальнем космосе и околоземном пространстве [2-9].
Возросший интерес повлек за собой разработку заметного числа проектов по созданию мощных КА с солнечной или ядерной энергетикой. Один из них — «Прометей» — выполнялся в рамках программы NASA, направленной на разработку и применение в космосе ядерных систем и технологий [10]. Целью проекта «Прометей» была разработка КА с уровнем доступной мощности на борту 200 кВт для выполнения исследовательских автоматических миссий в дальнем космосе, в котором была бы объединена надежная и безопасная реакторная установка с ЭРДУ. Основными элементами КА, рассматриваемого в рамках проекта «Прометей», являлись: ядерный реактор с радиационной защитой, система преобразования энергии на базе замкнутого цикла Брайтона, а также
двигателей и двигателей с замкнутым дрейфом электронов. Несмотря на то, что в 2005 г. было принято решение не продолжать работы по проекту «Прометей», для его реализации были разработаны несколько ЭРД, а именно:
• два типа ионных двигателей на ксеноне (кауфмановского типа) — NEXIS [2];
• двигатель с высокочастотной ионизацией HIPEP [4];
• двигатель с замкнутым дрейфом на висмуте VHITAL-160 [11].
Вслед за проектом «Прометей» стали рассматриваться проекты буксиров с уровнем мощности от сотен киловатт до десятков мегаватт, предусматривающие использование как ядерной, так и солнечной энергии, а также различных типов ЭРД, работающих как на газообразных, так и на конденсирующихся рабочих телах [12-14].
В России кооперация предприятий, возглавляемая Роскосмосом и Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом», в настоящее время работает над инновационным проектом под названием «Создание транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» (ОКР «ТЭМ») [5, 6]. В рамках проекта рассматривается маршевая ЭРДУ на базе нескольких одновременно работающих ионных двигателей суммарной мощностью 1 МВт.
Анализ проектов создания мощных космических буксиров показал, что, несмотря на их существенные различия, имеется ряд общих технических решений, которые рассматриваются применительно к ЭРДУ [15, 16]:
• ЭРДУ строится на объединении нескольких одновременно работающих ЭРД в общую сборку, получившую в литературе название «кластер»;
• все рассматриваемые типы ЭРД (магни-топлазменные, ионные и с замкнутым дрейфом электронов) имеют в своем составе катоды — источники электронов, обеспечивающие функционирование ЭРД и, что принципиально важно, нейтрализацию потока положительных ионов, создаваемых двигателями;
• алгоритм функционирования космического буксира предполагает, что может быть включена только часть установленных ЭРД, т. е. число работающих двигателей должно регулироваться;
• для изменения числа работающих двигателей и обеспечения надежности двигательной установки должна быть обеспечена возможность их независимого включения и отключения, а также независимого регулирования параметров для управления движением КА.
Для практического внедрения ЭРДУ на основе нескольких объединенных в единую систему и одновременно работающих ЭРД (кластеров) должны быть изучены принципиальные аспекты, определяющие возможность использования подобных систем.
В настоящее время практически все летные ЭРДУ, имеющие в своем составе несколько двигателей, построены по линейному принципу — каждый ЭРД имеет собственный катод-нейтрализатор и собственную систему питания и управления, причем системы электропитания двигателей не связаны между собой по выходному напряжению. При использовании мощных ЭРДУ на базе связок из нескольких одновременно работающих двигателей линейная архитектура построения приводит к усложнению и утяжелению системы питания и управления. Потенциально есть возможность существенно упростить систему, обеспечив питание нескольких двигателей от единого источника, а также используя один общий катод-нейтрализатор для нескольких двигателей.
Ввиду актуальности и безальтернативно-сти кластерного подхода за последние 15 лет существенно выросла международная активность, направленная на экспериментальное исследование многодвигательных систем на базе различных типов ЭРД [17].
С целью определения возможных принципов построения кластерной ЭРДУ должны быть исследованы следующие принципиальные аспекты [18]:
• соответствие тяги кластера сумме величин тяг двигателей, входящих в его состав;
• эффекты, связанные с суммированием электромагнитных шумов, создаваемых двигателями;
• работа нескольких двигателей от общего источника питания;
• работа двигателей кластера от общего катода-нейтрализатора и возможные ограничения размеров кластера в данном случае;
• взаимодействие двигателей кластера как через плазму, так и через внутренние электрические цепи;
• стабильность работы кластера при отклонении параметров одного или нескольких двигателей кластерной сборки от заданных значений.
Данная статья посвящена одному из перспективных направлений развития современных ЭРДУ — созданию многодвигательной системы на базе нескольких одновременно работающих двигателей с анодным слоем. Учитывая общность рабочих процессов и выходных параметров стационарных плазменных двигателей (СПД) и двигателей с анодным слоем (ДАС) [19], являющихся холловски-ми двигателями с замкнутым дрейфом электронов, исследования проведены на основе использования ДАС, обладающих широким диапазоном регулирования выходных параметров и рядом положительных особенностей конструкции [20, 21].
Описание объекта испытаний
Для исследования указанных аспектов в качестве объекта испытаний был создан стендовый образец на базе трех ДАС. Выбор такого количества двигателей в составе кластера обусловлен расширением его возможностей по сравнению с ранее исследованными [22-24], а также обеспечением приемлемого значения остаточного давления в вакуумной камере при его отработке.
На рис. 1 приведен внешний вид базовой конфигурации стендового образца [25, 26]. Образец состоит из трех ДАС Д-55 и одного общего катода-нейтрализатора К1, которые установлены на монтажном фланце. Характерный размер сборки составляет ~300 мм (по монтажному фланцу). Конструкция стендового образца позволяла устанавливать дополнительные катоды К2 и К3.
На рис. 2 приведены фотографии стендового образца после его монтажа в вакуумной камере и во время функционирования.
Расстояние между магнитными системами двигателей выбрано так, чтобы исключить взаимное влияние магнитных полей двигателей друг на друга. ДАС Д-55, разработанный в ЦНИИмаш, выполнен по одноступенчатой схеме. Средний диаметр разрядной камеры двигателя составляет 55 мм. Проектная
рабочая точка двигателя соответствует потребляемой мощности 1 350 Вт, при которой обеспечиваются значения тяги 78 мН и удельного импульса 17 000 м/с (без учета расхода в катод-нейтрализатор). Двигатель на базе конструкции Д-55 (TAL-WSF) был использован в летном эксперименте на КА STEX по программе RHETT II [27]. Существующая обширная база экспериментальных данных, накопленная при испытаниях данного двигателя в России и США, позволяет производить верификацию вновь получаемых результатов и их анализ.
Рис. 1. Конфигурация стендового образца: 1 — двигатель Д2; 2 — монтажный фланец; 3 — двигатель Д1; 4 — катод-нейтрализатор К1; 5, 6 — дополнительные катоды-нейтрализаторы К2, К3, соответственно; 7 — двигатель Д3
Кроме того, как показано в работах [28, 29], характер рабочих процессов, протекающих в двигателе Д-55, идентичен процессам, протекающим на соответствующих режимах в ДАС с уровнем потребляемой мощности вплоть до 50 кВт, что позволяет экстраполировать данные, полученные на стендовом образце многодвигательной системы, на более мощные.
В качестве катода-нейтрализатора использовался лабораторный катод, разработанный в ЦНИИмаш на основе ЬаБ6, обеспечивающий электронный ток до 10 А.
Для исследования кластера в качестве базовых выбраны режимы с расходом ксенона 3,5 мг/с в анод каждого двигателя и значениями разрядного напряжения 200, 300 и 400 В.
Экспериментальные исследования кластера проводились на второй рабочей части стенда № 1 ЦНИИмаш. Вакуумная камера представляла собой цилиндрический объем диаметром 1,7 м и длиной 4 м. Кластер монтировался на тягоизмерительном устройстве, установленном внутри вакуумной камеры. Система откачки стенда обеспечивала значение остаточного давления в вакуумной камере при работе трех двигателей 13,3х10-3 Па.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
а)
б)
Рис. 2. Стендовый образец: а — смонтированный на тягоизме-рительном устройстве; б — при функционировании
При функционировании кластера использовались две схемы с различной гальванической связью катода-нейтрализатора со стенками вакуумной камеры — заземленная и плавающая. В заземленной схеме эмиттер катода гальванически связан со стенками вакуумной камеры, в плавающей данная связь отсутствует. Независимо от схемы, вакуумная камера всегда является заземленной. Используемая система электропитания позволяла производить испытания стендового образца как с общим, так и с индивидуальными источниками питания для каждого двигателя без вскрытия вакуумной камеры.
Использование заземленной схемы позволяет снизить случайное влияние параметров катода-нейтрализатора на параметры двигателя и результаты измерения параметров струи, что особенно важно при моделировании условий
работы двигателя с различными катодами-нейтрализаторами, напряжение разряда и плавающий потенциал которых могут существенно меняться как в процессе эксплуатации, так и от катода к катоду.
Электрические схемы подключения двигателей кластера при использовании общего источника питания разрядов двигателей и в случае их независимого питания приведены на рис. 3, а и 3, б, соответственно. Помимо регистрации основных электрических параметров, предусматривалось осциллографи-рование разрядных токов в цепях кластера. Сигнал на осциллографы подавался с калиброванных шунтов, установленных в цепях кластера в соответствии с рис. 3.
а)
б)
Рис. 3. Электрические схемы подключения двигателей кластера: а — с общим источником питания; б — с индивидуальными источниками питания
Примечание. Д1-Д3 — двигатели; К1 — катод-нейтрализатор; С1-С3 — емкостные фильтры.
тягово-энергетические характеристики многодвигательной системы при различных вариантах ее архитектуры
Основным параметром, характеризующим работу одного или нескольких двигателей, является величина тяги. Для подтверждения отсутствия возможного влияния двигателей друг на друга при объединении их в единую систему при различных архитектурах ее построения необходима экспериментальная демонстрация того, что тяга, создаваемая кластером, определяется как простая сумма тяг одновременно работающих двигателей, входящих в его состав.
Были рассмотрены следующие варианты архитектурного построения кластерной системы:
• одновременная работа двигателей кластера в базовой конфигурации в случае использования индивидуальных независимых источников питания для каждого двигателя;
• одновременная работа двигателей кластера в случае использования одного общего источника электропитания;
• функционирование кластера с катодом-нейтрализатором, вынесенным за габариты многодвигательной системы;
• функционирование кластера при использовании двух катодов-нейтрализаторов.
Тяговые характеристики многодвигательной системы. Результаты измерений тяги кластера в случае использования общего источника питания в заземленной и плавающей схемах представлены в табл. 1.
Превышение измеренной тяги кластера относительно утроенной тяги единичного двигателя составило не более 4% и обусловлено тем, что при работе кластера остаточное давление в вакуумной камере выше, чем при испытаниях единичного двигателя. Измерения величины тяги единичного двигателя, полученные в условиях, соответствующих величине остаточного давления при функционировании кластера, показали превышение значений тяги в среднем на 3% относительно приведенных в табл. 1 [26]. Таким образом, результирующая тяга трех двигателей является суммой тяг каждого двигателя во всех исследованных режимах с точностью до ошибки измерений.
Таблица 1
тяга кластера в случае использования общего источника питания
Разрядное напряжение, В Двигатель Д1 Д1+Д2+Д3
Разрядный ток, А Тягах3, мН Плавающий потенциал,В Разрядный ток Д1, а Разрядный ток Д2, А Разрядный ток Д3, А Измеренная суммарная тяга, мН
200 3,04 131,2 0 3,12 3,17 3,21 135,8
15,4 3,15 3,18 3,22 136,2
300 3,03 171,5 0 3,16 3,15 3,16 176,7
20,1 3,18 3,13 3,18 175,5
400 2,98 195,6 0 3,08 3,10 3,12 201,5
18,5 3,10 3,12 3,17 204,1
Сравнительные данные величины тяги кластера в случае использования общего источника питания и при питании каждого двигателя от индивидуального источника приведены в табл. 2. Таблица показывает, что нет существенных различий в величинах тяги кластера во всех исследуемых режимах независимо от схемы питания двигателей, и результирующая тяга с точностью до ошибки измерений совпадает с суммой величин тяги трех двигателей.
Характеристики многодвигательной системы при работе с вынесенным за ее габариты катодом-нейтрализатором. В настоящее время все холловские и ионные двигатели укомплектовываются индивидуальными катодами-нейтрализаторами (одним или двумя), установленными в непосредственной близости от среза двигателя. Потенциальный размер кластера, использующего один общий катод,
зависит от возможности работы единичного двигателя с катодом, установленным не вблизи, а на некотором расстоянии от среза данного двигателя. Это расстояние также может определять возможное число двигателей в кластере, располагаемых вокруг такого общего катода-нейтрализатора.
Таблица 2
Сравнение тяги кластера в случае использования общего и индивидуальных источников питания
Разрядное напряжение, В Общий источник питания Индивидуальные источники питания
Измеренная суммарная тяга, мН
200 135,8 138,9
300 176,7 175,8
400 201,5 204,6
Для исследования влияния положения катода-нейтрализатора на характеристики кластера на расстояниях 0, 300 и 500 мм были установлены лабораторные катоды К1, К2 и КЗ (см. рис. 1). Максимальное расстояние 500 мм ограничивалось размером вакуумной камеры и не являлось границей эффективной работы двигателей. При этом данная величина — это характерный размер кластерных систем, рассматриваемых в проектах космических буксиров. С целью оценки влияния расположения катода проводились измерения напряжения инициации разряда в двигателях и тяговых характеристик кластера при работе с каждым из катодов.
Результаты измерения тяги кластера с катодами, установленными на различных расстояниях, приведены в табл. 3. Как видно из таблицы, величина тяги трех двигателей, работающих совместно с общим катодом, с точностью до ошибки измерений не имеет существенной зависимости от места его установки в пределах исследованных расстояний. Напряжение инициации разряда в двигателях во всех исследуемых конфигурациях составило 150...170 В, явной зависимости данной величины от расстояния между катодом и двигателем замечено не было.
Таблица 3
Тяга кластера в случае использования катодов-нейтрализаторов (К1-К3), установленных на различных расстояниях от его оси
Двигатель Разрядное напряжение, В Разрядный ток, А Тяга, мН
К1 К2 К3
Д1 300,1 3,16 177,1 176,4 177,8
Д2 304,2 3,12
ДЗ 306,9 3,13
Наряду с исследованиями работы многодвигательной системы при использовании общего катода-нейтрализатора, была экспериментально исследована возможность работы кластера с двумя катодами-нейтрализаторами. Двигатели кластера функционировали от индивидуальных источников питания. Кроме того, двигатель Д1 был объединен в электрической схеме с катодом К1, а двигатели Д2 и Д3 — с катодом К2. С целью моделирования максимально возможного различия потенциала корпусов двигателей, работающих с различными катодами, схема Д1+К1 была заземленной, а схема Д2+Д3+К2 — плавающей. Результаты измерения тяги в данной конфигурации имели достаточно хорошее совпадение с ранее полученными в тех же режимах величинами, измеренными в случае функционирования кластера с одним общим катодом [26].
Таким образом, полученные результаты показывают возможность построения кластерных систем с различным положением катодов-нейтрализаторов и двигателей, входящих в их состав.
Устойчивость многодвигательной системы к отклонению параметров одного из ее двигателей. Генерируемые в разряде двигателя электромагнитные колебания, связанные с процессами в плазме, могут распространяться как через плазменный объем, так и по цепям электропитания. При работе кластера возможно усиление электромагнитных колебаний вследствие взаимного влияния двигателей друг на друга. Это имеет принципиальное значение для определения в дальнейшем электромагнитной совместимости кластера с другими системами. На рис. 4 приведены характерные осциллограммы разрядного тока двигателей Д2, ДЗ (рис. 4, а) и осциллограммы тока в общей цепи кластера и двигателя Д1 (рис. 4, б) при использовании схемы с общим источником питания, которая, с одной стороны, наиболее интересна с точки зрения упрощения архитектуры кластера, а с другой — наиболее опасна с точки зрения возникновения сфазированных колебаний в параллельно работающих двигателях.
Время, мкс
а)
Время, мкс б)
Рис. 4. Осциллограммы колебаний разрядного тока в электрических цепях: а — двигателей Д2, Д3; б — двигателя Д1 и кластера; - — Д2; - — Д3; - — Д1; - — кластер
Из рис. 4 видно, что частоты колебаний во всех трех двигателях близки, однако фазы колебаний не совпадают и меняются произвольным образом в каждом из двигателей. Колебания в двух из трех двигателей были близки к противофазе, а измеренная амплитуда в общей цепи кластера имела один и тот же порядок с колебаниями в цепи одного двигателя. Этот результат подтвержден статистически путем многократного повторения замеров, в т. ч. после выключения и повторного пуска кластера.
Во всех предыдущих случаях каждый двигатель функционировал в одном и том же режиме. Рассмотрение возможности работы кластера при отклонении параметров одного из двигателей от заданных характеристик важно с точки зрения моделирования возможных аварийных ситуаций на борту космического аппарата в случае сбоя в работе одного из двигателей. Кроме этого, проверка возможности варьирования параметров одного из двигателей потенциально позволяет управлять как направлением, так и абсолютной величиной вектора тяги такой системы.
Для изучения этого аспекта были рассмотрены возможные отклонения в работе одного из двигателей кластера:
• отклонение разрядного напряжения;
• отклонение разрядного тока;
• аномальный режим работы.
В табл. 4 и 5 представлены тяговые характеристики кластера в случае изменения разрядного напряжения одного из двигателей и расхода рабочего тела (разрядного тока). Данные отражают случаи использования как общего источника питания, так и индивидуальных источников.
Таблица 4
характеристики кластера в случае отклонения разрядного напряжения одного из его двигателей
Двигатель Разрядное напряжение, В Общий источник питания Индивидуальные источники питания
Разрядный ток, А Измеренная суммарная тяга, мН Измеренная суммарная тяга, мН Разрядный ток, А
Д1 200* 3,23 162,0 160,3 3,18
Д2 300 3,17 3,14
Д3 300 3,22 3,17
Примечание. * — значение принудительно отклоняемого параметра.
Таблица 5
характеристики кластера в случае отклонения разрядного тока одного из его двигателей
Двигатель Разрядное напряжение, В Общий источник питания Индивидуальные источники питания
Разрядный ток, А Измеренная суммарная тяга, мН Измеренная суммарная тяга, мН Разрядный ток, А
Д1 300 4,15* 195,8 195,7 3,18
Д2 3,17 3,16
Д3 3,19 4,18*
Примечание. параметра.
значение принудительно отклоняемого
Как видно из табл. 4, 5, нет существенной разницы между величинами тяги кластера при использовании общего или индивидуальных источников питания в случае изменения параметров одного из его двигателей. Кроме этого, измеренная величина тяги кластера с точностью до ошибки измерения совпадает с суммой тяг его двигателей, работающих на соответствующих режимах, что еще раз доказывает свойство аддитивности тяги кластера. Результаты измерения частотного спектра колебаний разрядного тока показали, что в общей цепи кластера присутствуют как частоты, соответствующие режиму работы двигателей, функционирующих в базовом режиме, так и режиму двигателя с принудительно измененными параметрами. Тем не менее, преобладающей частотой в общей цепи кластера оставалась частота 120...130 кГц, соответствующая режимам работы двигателей при разрядном напряжении 300 В и токе 3 А.
Представленные результаты были получены в случае отклонения режима одного из двигателей кластера в рамках его рабочего диапазона, где работа двигателя оставалась стабильной. Для исследования влияния одного из двигателей на систему в целом были проведены эксперименты, в которых один из двигателей намеренно был переведен в так называемый «аномальный» режим, характеризующийся резким возрастанием электромагнитных колебательных процессов (а соответственно, и разрядного тока) в двигателе. Целью эксперимента было исследовать влияние таких колебаний на работу остальных двух двигателей и системы в целом в схемах с общим источником питания и в случае использования индивидуальных источников питания. Для перевода двигателя в этот режим изменялись магнитное поле и разрядное напряжение.
На рис. 5 показаны частотные спектры колебаний тока в случае использования общего источника питания в общей цепи кластера, соответствующие его работе в номинальном режиме, а также, когда один из его двигателей функционирует в «аномальном» режиме. Там же приведен частотный спектр колебаний разрядного тока «аномально» функционирующего двигателя Д2. Как видно из рисунка, в общей цепи кластера доминирует частота, соответствующая основной частоте «аномально» работающего двигателя. Основная же частота, соответствующая нормальной работе кластера при величине разрядного напряжения 300 В, становится второстепенной. Подобная картина наблюдалась и в цепях питания двигателей Д1 и Д3. Однако, интегральные характеристики двигателей Д1 и Д3 (разрядный ток и разрядное напряжение) сохраняли свое штатное значение.
Следовательно, можно предположить, что влияние двигателя, параметры которого претерпели отклонения, может распространяться на систему как по внутренним разрядным цепям, так и через плазменный объем. Подобные исследования были проведены и для случая использования индивидуальных источников питания для каждого двигателя. Такая электрическая схема практически исключает влияние двигателей друг на друга по внутренним электрическим цепям. В случае использования индивидуальных источников питания даже при введении одного из двигателей в «аномальный» режим, сопровождающийся визуально наблюдаемыми низкочастотными колебаниями плазменного потока, картина колебаний разрядного тока в других двигателях существенно не меняется. Это позволяет предположить, что колебания в многодвигательных системах на основе ДАС преимущественно передаются по внутренним цепям, а не через плазменный объем.
<!
cd £
н S
ч к
0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20
п П
__иП L 1 _ _
im 11111 m п т ЦИппДПптПп^ Г|-|-Г|-|-|
10 50 90 130 170 210 250 290 330 370 410 450 490 530 570 610 650 690
Частота, кГц
а)
0,24
с 0,20
cd 0,16
н S 0,12
ч к s 0,08
< 0,04
0
И
1
[УМдПгдПдп,^
,гнДп,П,ппП| fYTVYYYTYYWVYYI ДП1п1 .П.п.ПДпр.П.ПдП.п.-.п.п)
10 50 90 130 170 210 250 290 330 370 410 450 490 530 570 610 650 690
Частота, кГц
б)
cd £
н S
ч к
0,18 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0
Частота, кГц
в)
Рис. 5. Частотные спектры колебаний тока в цепи: а — двигателя Д2, работающего в «аномальном» режиме; б — кластера при «аномально » работающем Д2; в — кластера в базовом режиме
П
■■_пПпП_П ШПпППп П innnn^_nnnn„ni-lrnnnnrni-inrnnn„,-,nrirnri^Hrinrini-innr._rirn Пп
10 50 90 130 170 210 250 290 330 370 410 450 490 530 570 610 650 690
Таким образом, кластерная система устойчива к отклонению параметров одного из двигателей как в случае использования общего источника питания, так и индивидуальных для каждого двигателя. Однако, следует отметить, что в случае использования общего источника питания диапазон устойчивости кластера определяется диапазоном устойчивости двигателя, параметры которого претерпевают отклонение. Тем не менее, показано, что даже в случае функционирования одного из двигателей в «аномальном» режиме критические изменения в кластере, характеризующиеся самопроизвольным погасанием разряда в остальных двигателях или аномальным ростом их разрядного тока, не возникают. Следует отметить, что устойчивость кластера достигается только в случае, если его архитектура обеспечивает отсутствие влияния магнитных систем двигателей друг на друга. В противном случае, отказ одного из двигателей ведет к отказу системы в целом.
Таким образом, показано, что при использовании различных электрических схем, разных положений и количества катодов-нейтрализаторов, а также при варьировании параметров двигателей кластера величина тяги кластера на базе ДАС обладает свойством аддитивности и имеет одинаковые значения при соответствующих режимах работы. Тягово-энергетические характеристики многодвигательной системы на базе ДАС остаются практически неизменными независимо от варианта расположения общего катода-нейтрализатора: в центре кластера, на его периферии или за его пределами. Расположение общего катода-нейтрализатора за пределами габаритных размеров кластера дает потенциальную возможность увеличения гибкости системы при интеграции ее на КА. В цепях питания многодвигательной системы не развиваются резонансные колебания, а интенсивность колебаний в общей цепи кластера не превышает сумму колебаний в цепях единичных двигателей.
Характеристики плазменной струи многодвигательной системы
Определение параметров плазменного потока, создаваемого ЭРД, в настоящее время является неотъемлемой частью их наземной отработки, направленной на получение исходных данных для расчета воздействия плазменной струи на элементы КА. В общем случае для характеристики струи плазменного двигателя в каждой точке некоторого поперечного сечения струи требуется определить следующие основные параметры:
• температуру (хаотическую скорость) электронов;
• потенциал пространства (плазмы);
• плотность ионного тока.
Выбор методики измерения параметров плазменной струи. Необходимость измерения локальных параметров струи предопределила выбор основного диагностического метода — с помощью электрических зондов, монтируемых на координатных устройствах. Зондовый метод является наиболее информативным, так как позволяет оценить большую часть из перечисленных параметров и их пространственное распределение. Несмотря на многолетнюю историю применения зондов для исследования плазмы, целый ряд особенностей при проведении измерений в струях ЭРД изучен недостаточно, и потому требуется адаптация методики измерений и конструкций зондов применительно к конкретным условиям испытаний.
С целью получения полной характеристики струи в каждой из точек исследуемого пространства необходимо определить три составляющие потока по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Технически это сложная задача, требующая специальных исследований. Тем не менее, при первичной оценке может использоваться система из трех зондов, ориентированных по трем взаимно перпендикулярным направлениям [30].
Для исследования струи стендового образца многодвигательной системы были выбраны плоские ориентированные зонды 02 мм. На рис. 6 представлена конструкция указанных ориентированных плоских зондов № 1-5, выбранная для измерений параметров струи [31].
Рис. 6. Внешний вид ориентированных зондов (1—5)
Как правило, размер электрических зондов определяется, исходя из соотношения
(1)
d >> К,
p D
где dp — характерный размер зонда; ХЕ) — радиус Дебая. При этом
^=
8П kT
0 e
/(8,85 • 1012)(1,38 • 1023)Г
nee
n(1,6 • 1019)2
= 69 АI ,
п
где Te — температура электронов; п — концентрация электронов; е — заряд электрона; k — постоянная Больцмана; 80 — электрическая постоянная.
На рис. 7 приведена экспериментально полученная зависимость радиуса Дебая в случае измерения характеристик струи единичного двигателя Д-55 на различных расстояниях от его среза. Как видно из рисунка, практически во всем диапазоне измерений для выбранного размера зондов 02 мм подтверждается выполнение соотношения (1).
« сЗ
\о
QJ
Ч
О К
Он
и,ZU А \ Q - с lio
Ä 1 fi - сЯр
о и, 10 А 1 А - о / а) п /,.
U, 14 A i О . /
0 \ U,1 z XX \ А - уCpi
Лр \о иди (\ АО - /
А АГ!
A^tT*
A/,U4
-400-300-200-100 0 100 200 300 400
Расстояние от оси двигателя, мм
Рис. 7. Радиус Дебая на различных расстояниях от среза двигателя: - — 300 мм; - — 500 мм; - — 1 000 мм
На рис. 8, а, в качестве примера, представлены распределения плотности ионного тока, измеренные поперек струи двигателя Д-55 на расстоянии 300 мм от его среза ориентированными зондами № 1-4. Характеристики построены в зависимости от радиального расстояния от геометрической оси двигателя.
Необходимо отметить, что зонд № 1, собирающая поверхность которого ориентирована перпендикулярно направлению потока, регистрирует преимущественно параметры направленной компоненты плазменного потока, в то время как зонды № 3-5, собирающая поверхность которых ориентирована по потоку, регистрируют преимущественно параметры его хаотической компоненты.
о
1-1 о к к о S Л
н о о к н о ч
с
U,I А 1 4
А Л
А Г
А Г
А 4ЛА
'Ч:
о
[-Н
о к к о К Л
н
CJ
о к
н о
ч
с
-450 -350 -250 -150 -50 0 50 150 250 350 450 Расстояние от оси двигателя, мм
а)
0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005
ft
\\
V
\
\
О
0 50 150 250 350 450 Расстояние от оси двигателя, мм
б)
Рис. 8. Плотность ионного тока, измеренная ориентированными зондами: а — распределения плотности ионного тока, измеренные зондами № 1-4; б — разность значений, измеренных зондами № 4 и 3; — — № 1; — — № 2; — — № 3; — № 4; — — разность значений, измеренных зондами № 4 и 3
Как можно видеть из рис. 8, а, с удалением от центра струи значение плотности тока направленной компоненты потока, измеренное зондом № 1, падает и на определенном расстоянии становится сопоставимым со значением хаотической компоненты вторичной плазмы. В сечении струи на расстоянии 300 мм от среза двигателя это происходит на радиусе 200 мм от его оси (рис. 8, а). Измерения, выполненные на расстоянии 500 мм от среза, показали, что плотность тока направленной компоненты становится сопоставимой со зна— чением, соответствующим хаотической компоненте на радиусе порядка 300 мм [31].
Это соответствует расходимости ускоренной плазменной струи данного двигателя, которая составляет ±30°. Равенство плотностей ионных токов, измеренных по-разному ориентированными зондами, может использоваться как критерий для определения истинных границ ускоренного ионного потока, что позволяет определять действительный угол расходимости струи даже при высоком фоне вторичной плазмы в вакуумной камере.
Важно отметить, что и зонд № 3, и зонд № 4 ориентированы по потоку ионов. Однако, измеряемые ими распределения плотности ионного тока различаются. При движении зонда № 3 поперек струи направленное движение ионной компоненты для него остается «невидимым», и регистрируемый им ток принадлежит к группе ионов фоновой плазмы, преимущественно полученных в результате актов перезарядки. В случае же зонда № 4, направленное движение ионной компоненты остается для него «невидимым» лишь до достижения им отметки, соответствующей оси двигателя. После чего к регистрируемой фоновой компоненте добавляется небольшая часть направленного потока ионов, что и определяет несимметричный вид распределения плотности ионного тока, полученного с помощью зонда № 4. Таким образом, при движении слева направо до отметки, соответствующей оси двигателя, зонды № 3 и 4 находятся в равных условиях, что подтверждается достаточно хорошим совпадением распределений плотностей ионного тока на этом участке. После прохождения указанной отметки разница в распределениях, полученных с помощью зондов № 3 и 4, будет определять исключительно направленную компоненту ионного потока, которая для зонда № 1 оказалась «невидимой», но ее учет в общем интеграле ионного тока необходим. Указанная разница видна на рис. 8, б (показана правая полуось). Исходя из вышесказанного, полный ионный ток, соответствующий направленному движению, можно определить из следующего соотношения:
= (1№ 1 — 3) + (1№ 4 — 3^
где 1№ 1, 1№ 4, 1№ 3 — плотности ионного тока, измеренные зондами № 1, 4 и 3, соответственно.
Таким образом, применение ориентированных плоских зондов дает возможность изучения достаточно сложной структуры потока и потенциальных эффектов, возникающих как в струе единичного двигателя, так и в струе, формируемой несколькими одновременно работающими двигателями.
Влияние значения остаточного давления на измеряемые параметры плазменной струи. При функционировании трех одновременно работающих двигателей в составе кластера значение величины остаточного давления в вакуумной камере оказывается выше, чем в случае работы единичного двигателя. Для определения степени влияния величины остаточного давления на параметры в плазменной струе были проведены экспериментальные исследования, при которых единичный двигатель функционировал в условиях остаточного давления, соответствующего работе кластера. На рис. 9
приведены результаты измерения распределений потенциала плазмы, температуры электронов и плотности ионного тока, полученные на расстоянии 500 мм от среза двигателя, при двух значениях величины остаточного давления, соответствующих условиям функционирования единичного двигателя и кластера в целом.
РР 3
к
¡=г к
О)
н о С
-500
V5
Д 1 / 1 А ■
1 Ш
о .
8
7 —я-
Расстояние от оси двигателя, мм
а)
бб
О
[-н
О
о к л н о о к н о ч
с
А ,и4и " лото
А
и. п пук -
и. л тР А//А .
и. А № ПЛ ч -
ц
.иШ А А £
щ и. (Юсг
-500 -300 -100 0 100 300 500
Расстояние от оси двигателя, мм
в>
Рис. 9. Параметры плазменной струи двигателя при различных значениях величины остаточного давления: а — потенциал плазмы; б — температура электронов; в — плотность ионного тока; - — 5,9 • 10-3 Па; - — 13,3 • 10-3 Па
Как видно из рис. 9, изменение остаточного давления в вакуумной камере существенным образом влияет на распределения электронной температуры и потенциала плазмы. Распределение плотности ионного тока меняется менее существенно. Значение плотности ионного тока на оси двигателя незначительно возрастает и снижается при удалении от центра двигателя чуть быстрее, что, вероятнее всего, определяется ростом количества остаточного
газа, проникающего в зону разряда двигателя, что, в свою очередь, эквивалентно незначительному увеличению расхода рабочего тела.
При измерениях характеристик струи единичного двигателя и кластера в целом необходимо обеспечивать одинаковые значения остаточного давления для корректного сравнения измеряемых параметров струй. Увеличение значения остаточного давления при функционировании трех двигателей не приводит к существенному увеличению значений радиуса Дебая по сравнению с условиями функционирования единичного двигателя. Это связано с одновременным увеличением концентрации плазмы и снижением температуры электронов в случае более высоких значений остаточного давления. Следовательно, рассмотренные ориентированные зонды могут быть применены и для условий функционирования трех двигателей.
Результаты исследования струи стендового образца многодвигательной системы. Для исследования параметров струи стендового образца был выбран базовый режим работы входящих в его состав двигателей, каждый из которых работал в режиме 300 В, 3 А. Двигатели работали в заземленной схеме с катодом-нейтрализатором, установленным в центре кластерной сборки К1. Остаточное давление в вакуумной камере составляло 13,3*10-3 Па. Измерения параметров струи кластера производились в сечениях, показанных на рис. 10, на расстояниях 300... 1 000 мм от его среза с помощью плоских ориентированных зондов 02 мм.
На рис. 11 приведены распределения плотности ионного тока кластера в сечениях № 1-4 на расстоянии 500 мм от его среза.
В сечениях № 1 и 4 хорошо просматриваются пики ионного тока, соответствующие двигателям Д1 и Д3, соответственно. Пики находятся на расстоянии 90 мм от центра кластера, что соответствует геометрическому расположению
двигателей Д1 и Д3 в кластере. Как видно из рис. 11, распределения плотности тока в эквивалентных сечениях достаточно близки друг к другу. Данное обстоятельство позволяет не проводить измерения параметров плазменной струи в эквивалентных сечениях, т. е. распределения, полученные в каком-либо сечении, могут быть отнесены к эквивалентным им сечениям.
Рис. 10. Сечения измерений параметров струи кластера: - —
сечение № 1; - — сечение № 2; - — сечение № 3; - — сечение № 4
о
1-4
о к к о К
ьР
н о о к н о ч
с
л АСГ .
и ,1Ю
г Л
г и Г) П9 -
и п 01
и
-300 -200 -100 0 100 200 Расстояние от оси кластера, мм
300
Рис. 11. Плотность ионного тока в различных сечениях: - —
сечение № 1; - — сечение № 2; - — сечение № 3; - — сечение № 4
На рис. 12 представлены пространственные распределения плотности ионного тока кластера, полученные зондом № 1 на расстояниях 300, 500 и 1 000 мм.
а) б) в)
Рис. 12. Пространственные распределения плотности ионного тока в струе кластера на различных расстояниях от его среза: а — 300 мм; б — 500 мм; в — 1 000 мм
Как видно из рис. 12, на расстояниях 300 и 500 мм в струе кластера хорошо различимы пики, соответствующие трем двигателям. По мере удаления от среза кластера струя, формируемая тремя работающими двигателями, трансформируется, и на расстоянии 1 000 мм представляет собой образование, в котором уже трудно различимы участки, соответствующие каждому двигателю.
С целью выявления аддитивности струй в кластере было выполнено сравнение плотности ионного тока в струе кластера с суммой плотностей тока, измеренных при работе единичного двигателя. Для корректного сравнения результатов при измерении параметров струи единичного двигателя было обеспечено значение остаточного давления, соответствующее условию функционирования трех двигателей. Измерения проводились на расстояниях 300 и 500 мм от среза кластера. На рис. 13 в качестве примера показаны распределения плотности ионного тока единичного двигателя Д1 и кластера, полученные с помощью зонда № 1 в сечении № 1 на расстоянии 300 мм от среза кластерной сборки. Там же приведена расчетная кривая распределения плотности ионного тока кластера, полученная математическим сложением распределений плотности ионного тока, измеренных при работе единичного двигателя. Как видно из рис. 13, кривые, полученные математическим суммированием, отличаются от реально измеренного распределения. На расстоянии 300 мм основное различие наблюдается в области высокой плотности, соответствующей оси двигателя Д1, в то время как на периферии измеренное и посчитанное распределения достаточно близки друг к другу. С удалением от среза кластера радиальный размер зоны, в которой наблюдалось различие, увеличивался. На расстояниях 500 и 1 000 мм различие присутствовало не только в центральной зоне с высокой плотностью, но и на периферии. Максимальное различие в измеренной и посчитанной величине наблюдалось в области, соответствующей оси двигателя Д1. Для расстояния от среза кластера 300 мм разница составила 15%, для расстояния 500 мм — 25% и 35% — для расстояния 1 000 мм от среза.
Таким образом, величина измеренной плотности ионного тока в струе кластера не является простой суммой распределений плотностей тока, измеренной при работе единичного двигателя.
Поскольку тяга кластера во всех исследованных режимах с высокой точностью совпадает с суммой тяг единичных двигателей, можно полагать, что ионный поток, генерируемый каждым двигателем при работе в составе кластера,
должен соответствовать ионному потоку, создаваемому каждым двигателем при индивидуальной работе. Поэтому наиболее вероятной причиной отличий измеренной и посчитанной величин плотности ионного тока является изменение условий распространения и перезарядки ионного потока на атомах остаточного газа при функционировании кластера.
1 ( 1 9П-
V ( 1 1
V 1 1 и ^ \ О-
V / Л АО.
),иег Л п /, -
( ),04
250 -150 -50 0 50 150 250
Расстояние от оси кластера, мм
Рис. 13. Плотность ионного тока в струе единичного двигателя и кластера в сечении № 1: - — кластер, зонд № 1; - — двигатель Д1, зонд № 1; - — кластер, математическое суммирование; - — двигатель Д1, зонд № 4; - — кластер, зонд № 4
Увеличение фоновой плазмы показали и измерения, выполненные зондом № 4 в том же сечении. Распределения плотности ионного тока, полученные с помощью зонда № 4 в случае работы одного двигателя и кластера в целом, также приведены на рис. 13. На данном расстоянии от среза кластера, в области, соответствующей оси двигателя Д1, отношение плотностей ионного тока, измеренных зондами № 1 и 4, составило 7,5, в то время как на расстоянии 500 мм данная величина составила 4,5, что свидетельствует об увеличении фоновой составляющей с удалением от среза кластера. Необходимо отметить, что при работе рассматриваемого кластера измерить только фоновую составляющую плазмы является проблематичным. Так, в случае использования зонда № 4 в сечении № 1 помимо фоновой компоненты фиксируется и часть направленного ионного потока двигателя Д3. Тем не менее, в области, соответствующей оси двигателя Д1, где и наблюдается относительный рост фоновой плазмы, вклад направленного потока в величину значения фоновой плазмы незначителен.
С целью интенсификации процессов, которые могут проявляться в кластерных системах и быть связаны с взаимодействием струй входящих в его состав двигателей, были проведены специальные исследования. В рамках этих исследований ось каждого двигателя была наклонена к оси кластера таким образом, что геометрические оси двигателей пересекались на расстоянии 500 мм от его среза (рис. 14).
0|
I
яя
Рис. 14. Внешний вид кластера в случае ориентации его двигателей, обеспечивающей пересечение их осей на расстоянии 500 мм от его среза
На рис. 15 показаны распределения плотности ионного тока, соответствующие работе одного, двух и трех двигателей в данной конфигурации, полученные с помощью зонда № 1 в сечении № 1. В случае одновременной работы трех двигателей в данной конфигурации распределение параметров в его струе напоминает распределение в струе некоего единичного двигателя. Маркерами на рисунке показаны значения, полученные удвоением и утроением значения плотности ионного тока, измеренного на оси кластера при функционировании только одного двигателя Д1. Как видно из рисунка, даже в случае работы двух двигателей измеренное значение плотности тока превосходит математически посчитанное на основе данных, полученных при работе одного двигателя.
о
Р-Н
о К К О К
уЦ
н о о к
н о ч
с
и,10 1 П 1 А -
и,14 П 1 V
и, 1 ^ { П 1 П
и, 1 и п пя,
и, и© 1 А (Ш
ил» о Ж С\А -
Г\Л\0 .
-300 -200 -100 0 100 200 300
Расстояние от оси кластера, мм
Рис. 15. Распределение плотности ионного тока в струе кластера со «сфокусированными» струями, измеренное при работе одного, двух и трех его двигателей: - — Д1; - — Д2
и Д3; - — Д1, Д2 и Д3; • — маркеры
Несмотря на то, что при такой «фокусировке» струй наибольшее значение плотности ионного тока на расстоянии 500 мм от среза кластера увеличилось в два раза по сравнению с базовой конфигурацией, максимальное различие между измеренными и посчитанными значениями составило 20%, что на 5% меньше, чем в случае конфигурации, когда оси двигателей параллельны оси кластера. Таким образом, можно предположить, что возникающий
эффект зависит не столько от степени пересечения струй, сколько от абсолютных значений плотностей тока и поперечного размера струи кластера.
Таким образом, исследование струй кластерной ЭРДУ выявило существование специфических коллективных эффектов, связанных с взаимодействием струй друг с другом и с окружающей средой. В практически важном диапазоне параметров, характерном для двигателей с замкнутым дрейфом электронов, специфические эффекты не приводят к принципиальному изменению характера струй кластерной ЭРДУ и не являются препятствием для использования таких двигательных установок на перспективных КА. Выявленные эффекты не описываются известными моделями распространения плазменных потоков, и создание физико-математической модели процессов взаимодействия является очень объемной задачей, решение которой выходит за рамки данной статьи. Существенным выводом из полученных данных является то, что исследование струй проектируемых мощных кластерных ЭРДУ должно быть частью комплексной программы их экспериментальной отработки для обеспечения корректной оценки влияния их струй на элементы КА, радио-связь и локационное наблюдение.
Заключение
В ходе комплексного экспериментального исследования рабочих характеристик системы на базе нескольких одновременно работающих ДАС показано, что:
• в цепях электропитания многодвигательной системы на базе ДАС не развиваются резонансные колебания, а интенсивность колебаний в общей цепи не превышает сумму колебаний в цепях электропитания единичных двигателей. При этом система сохраняет устойчивость при отклонении параметров одного из ее двигателей от заданных. Данный
результат обосновывает возможность использования объединенной архитектуры системы электропитания многодвигательной ЭРДУ при создании мощных перспективных энергодвигательных систем;
• распределение плотности ионного тока в струе, формируемой несколькими одновременно работающими ДАС, не является простой суммой распределений плотностей ионного тока в струях единичных двигателей, входящих в состав кластера. В практически важном диапазоне параметров двигателей с замкнутым дрейфом электронов специфические эффекты не приводят к принципиальному изменению характера струй кластерной ЭРДУ и не являются препятствием для использования таких двигательных установок на перспективных космических аппаратах.
Учитывая общность рабочих процессов и выходных параметров ДАС и стационарных плазменных двигателей, относящихся к классу холловских двигателей с замкнутым дрейфом электронов, полученные результаты и выводы могут быть распространены и на данный тип двигателей, а также на гибридные схемы на их основе.
Список литературы
1. Синявский В.В. Научно-технический задел по ядерному электроракетному межорбитальному буксиру «Геркулес» // Космическая техника и технологии. 2013. № 3. С. 25-45.
2. Randolph T.M., Polk J.E. An overview of the nuclear electric xenon ion system (NEXIS) activity // 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2004. AlAA 2004-3450.
3. Spores R, Monheiser J., Dempsey B.P., Wade D., Creel K., Jacobson D., Drummond G. A solar electric cargo vehicle to support NASA Lunar Exploration Program // 29th International Electric Propulsion Conference, 2005. IEPC-2005-320.
4. Elliott F.W., Foster J.E, Patterson M.J. An overview of the high power electric propulsion (HiPEP) project // 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2004. AIAA 2004-3453.
5. Коротеев А.С. Актуальные задачи в космонавтике XXI века // Первый международный симпозиум «Космос и глобальная безопасность человечества», 5 ноября 2009 г., Кипр.
6. Коротеев А.С. Новый этап развития космической энергетики // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 4. С. 317-322.
7. Kerslake T.W., Bury K.M., Hojnicki J.S., Sajdak A.M., Scheidegger R.J. Solar electric
propulsion (SEP) tug power system considerations // NASA/TM-2011-217197,2011.
8. Пилотируемая экспедиция на Марс / Под ред. Коротеева А.С. М.: Российская академия космонавтики имени К.Э. Циолковского, 2006. 320 с.
9. Легостаев В.П., Лопота В.А., Синявский В.В. Перспективы и эффективность применения космических ядерных энергетических и ядерных электроракетных двигательных установок // Космическая техника и технологии. 2013. № 1. С. 4-15.
10. Prometheus Project Final Report // NASA Jet Propulsion Laboratory, CA Pasadena, 1 October 2005, 982-R120461.
11. Захаренков Л.Э., Твердохлебов С.О., Семёнкин А.В. Создание и отработка двухступенчатого двигателя с анодным слоем, использующего в качестве рабочего тела пары висмута // Космонавтика и ракетостроение. 2008. № 3(52). С. 104-115.
12. McGuire ML., Martini M.C., Packard T.W., Weglian J.E., Gillard J.H. Use of high-power Brayton nuclear electric propulsion (NEP) for a 2033 Mars Round-Trip Mission // NASA/ TM-2006-214106,2006.
13. Brophy J.R., Gershman R., Strange N., Landau D., Merrill R.G., Kerslake T. 300-kW solar electric propulsion system configuration for human exploration of Near-Earth asteroids // 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2011. AIAA-2011-5514.
14. Worms J.-C., Cliquet E., Detsis E., Gaia E., Jansen F., Poidomani G., Ruault J.M., Semenkin A.V., Tinsley T., Walter N., Koroteev A.S. MEGAHIT: Megawatt highly efficient technologies for space power and propulsion systems for long-duration exploration missions — a supporting action for H2020 EC Programme // 64th International Astronautical Congress, 2013. IAC-13-C4.7-C3.5.
15. Semenkin A.V., Zakharenkov L.E., Solodukhin A.E. Concept of electric propulsion realization for high power space tug // 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences, 2013. EUCASS-124-2013.
16. Koroteev A.S., Zakharenkov L.E., Karevsky A.V., Popov S.A., Semenkin A.V., Solodukhin A.E. Architecture features of space tug nuclear power propulsion system // 5th Russian-German Conference on Electric Propulsion, 2014.
17. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V. Multi-thruster electric propulsion system architecture and ways of simultaneously operating thrusters interaction // 4th European Conference for Aero-Space Sciences, 2011. EUCASS-651-2011.
18. Tverdokhlebov S.O., Semenkin A.V., Baranov V.I., Zakharenkov L.E., Solodukhin A.E. Consideration of cluster design approach for high
power Hall propulsion // 41st Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 2003. AIAA-2003-0494.
19. Архипов А.С., Ким В.П., Сидоренко Е.К. Стационарные плазменные двигатели Морозова. М.: Издательство МАИ, 2012. 292 с.
20. Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Garkusha V.I., Kochergin AV., Chislov G.O., Shumkin B.V., Solodukhin AV., Zakharenkov L.E. Operating envelopes of thrusters with anode layer // 27th International Electric Propulsion Conference, 2001. IEPC-2001-013.
21. Semenkin A.V., Zakharenkov L.E., Solodukhin A.E. Feasibility of high power multimode EPS development based on the thruster with anode layer // 32nd International Electric Propulsion Conference, 2011. IEPC-2011-064.
22. Rusakov AV., Kochergin AV., Semenkin AV., Tverdokhlebov S.O., Garkusha V.I. Multiple thruster propulsion system integration study // 25th International Electric Propulsion Conference, 1997. IEPC-97-130.
23. Semenkin AV., Tverdokhlebov S.O., Garkusha V.I., Grishin S.D. TAL thruster technology for advanced electric propulsion systems // 20th International Symposium on Space Technology and Science, 1996. ISTI96-a-3-26.
24. Lynn P., Osborn M., Sankovic I., Caveny L. Electric propulsion demonstration module (EPDM) flight thruster system // 25th International Electric Propulsion Conference, 1997. IEPC-97-100.
25. Гаркуша В.И., Захаренков Л.Э., Русаков А.В., Семёнкин А.В., Твердохлебов С.О., Юр-ченко Н.А. Исследование многодвигательной системы, состоящей из нескольких одновременно
работающих двигателей с анодным слоем / Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. Сб. научных трудов под ред. Анфимова Н.А. Королёв: ЦНИИмаш, 2006. C. 3-20.
26. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V., Garkusha V.l., Lebedev Y.V. Study of the 3-TAL thruster assembly operation // 29th International Electric Propulsion Conference, 2005. 1EPC-2005-185.
27. Semenkin A.V., Kochergin A.V., Garkusha V.l., Chislov G.O., Rusakov A.V., Tverdokhlebov S.O., Sota C. RHETT/EPDM flight anode layer thruster development // 25th lnternational Electric Propulsion Conference, 1997. lEPC-97-106.
28. Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O. Development strategy for 100kW-class Hall propulsion // 51st International Astronautical Congress, 2000.1AF-00-S.4.07.
29. Jankovsky R., Tverdokhlebov S.O., Manzella D. High power Hall thrusters // 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 1999. A1AA 99-2949.
30. Котельников В.А., Ким В.П., Котельников М.В. Зондовые измерения в затопленной разреженной струе плазмы // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 16. С. 70-75.
31. Захаренков Л.Э., Семенкин А.В., Лебедев Ю.В. Особенности измерений и результаты исследования локальных параметров плазмы двигателей с анодным слоем // Космонавтика и ракетостроение. 2004. № 1(34). С. 14-33. Статья поступила в редакцию 12.10.2015 г.
Reference
1. Sinyavskiy V.V. Nauchno-tekhnicheskii zadel po yadernomu elektroraketnomu mezhorbital'nomu buksiru «Gerkules» [Advanced technology for nuclear electric propulsion orbital transfer vehicleHerculesj. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2013, no. 3, pp. 25-45.
2. Randolph T.M., Polk J.E. An overview of the nuclear electric xenon ion system (NEX1S) activity. 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2004, A1AA 2004-3450.
3. Spores R., Monheiser J, Dempsey B.P., Wade D., Creel K., Jacobson D., Drummond G. A solar electric cargo vehicle to support NASA Lunar Exploration Program. 29th lnternational Electric Propulsion Conference, 2005, lEPC-2005-320.
4. Elliott F.W., Foster J.E., Patterson M.J. An overview of the high power electric propulsion (HiPEP) project. 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2004, A1AA 2004-3453.
5. Koroteev A.S. Aktual'nye zadachi v kosmonavtike XXI veka [Challenges of the XXI century spaceflight]. Pervyi mezhdunarodnyi simpozium «Kosmos i global'naya bezopasnost' chelovechestva», 5 November2009, Cyprus.
6. Koroteev A.S. Novyi etap razvitiya kosmicheskoi energetiki [New stage in the development of power generation in space]. Vestnik RAS, 2012, vol. 82, no. 4, pp. 317-322.
7. Kerslake T.W., Bury K.M., Hojnicki J.S., Sajdak A.M., Scheidegger R.J. Solar electric propulsion (SEP) tug power system considerations. NASA/TM-2011-217197,2011.
8. Pilotiruemaya ekspeditsiya na Mars [Manned Mission to Marsj. Ed. Koroteev A.S. Moscow, Rossiiskaya akademiya kosmonavtiki imeni K.E. Tsiolkovskogo publ., 2006.320p.
9. Legostaev V.P., Lopota V.A., Sinyavskiy V.V. Perspektivy i effektivnost' primeneniya kosmicheskikh yadernykh energeticheskikh i yadernykh elektroraketnykh dvigatel'nykh ustanovok [Prospects for and efficiency in application
of space nuclear power plants and nuclear electrorocket propulsion systems]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2013, no. 1, pp. 4-15.
10. Prometheus Project Final Report. NASA Jet Propulsion Laboratory, CA Pasadena, 1 October2005, 982-R120461.
11. Zakharenkov L.E., Tverdokhlebov S.O., Semenkin A.V. Sozdanie i otrabotka dvukhstupenchatogo dvigatelya s anodnym sloem, ispol'zuyushchego v kachestve rabochego tela pary vismuta [Development and developmental testing of a two-stage thruster with anode layer using bismuth vapor as propellant]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2008, no. 3(52), pp. 104-115.
12. McGuire M.L., Martini M.C., Packard T.W., Weglian J.E., Gillard J.H. Use of high-power Brayton nuclear electric propulsion (NEP) for a 2033 Mars Round-Trip Mission. NASA/TM-2006-214106,2006.
13. Brophy J.R., Gershman R., Strange N., Landau D., Merrill R.G., Kerslake T. 300-kWsolar electric propulsion system configuration for human exploration of Near-Earth asteroids. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 2011, AIAA-2011-5514.
14. Worms J.-C., Cliquet E., Detsis E., Gaia E., Jansen F., Poidomani G., Ruault J.M., Semenkin A.V., Tinsley T., Walter N., Koroteev A.S. MEGAHIT: Megawatt highly efficient technologies for space power and propulsion systems for long-duration exploration missions — a supporting action for H2020 EC Programme. 64th International Astronautical Congress, 2013, IAC-13-C4.7-C3.5.
15. Semenkin A.V., Zakharenkov L.E., Solodukhin A.E. Concept of electric propulsion realization for high power space tug. 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences, 2013, EUCASS-124-2013.
16. Koroteev A.S., Zakharenkov L.E., Karevsky A.V., Popov S.A., Semenkin A.V., Solodukhin A.E. Architecture features of space tug nuclear power propulsion system. 5th Russian-German Conference on Electric Propulsion, 2014.
17. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V. Multi-thruster electric propulsion system architecture and ways of simultaneously operating thrusters interaction. 4th European Conference for Aero-Space Sciences, 2011, EUCASS-651-2011.
18. Tverdokhlebov S.O., Semenkin A.V., Baranov V.I., Zakharenkov L.E., Solodukhin A.E. Consideration of cluster design approach for high power Hall propulsion. 41st Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 2003, AIAA-2003-0494.
19. Arkhipov A.S., Kim V.P., Sidorenko E.K. Statsionarnye plazmennye dvigateli Morozova [Morozov stationary plasma thrusters]. Moscow, MAIpubl., 2012.292p.
20. Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Garkusha V.I., Kochergin A.V., Chislov G.O., Shumkin BVV., Solodukhin A.V., Zakharenkov L.E. Operating envelopes of thrusters with anode layer. 27th International Electric Propulsion Conference, 2001, IEPC-2001-013.
21. Semenkin A.V., Zakharenkov L.E., Solodukhin A.E. Feasibility of high power multi-mode EPS development based on the thruster with anode layer. 32nd International Electric Propulsion Conference, 2011, IEPC-2011-064.
22. Rusakov A.V., Kochergin A.V., Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Garkusha V.I. Multiple thruster propulsion system integration study. 25th International Electric Propulsion Conference, 1997, IEPC-97-130.
23. Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Garkusha V.I., Grishin S.D. TAL thruster technology for advanced electric propulsion systems. 20th International Symposium on Space Technology and Science, 1996, ISTI 96-a-3-26.
24. Lynn P., Osborn M., Sankovic I., Caveny L. Electric propulsion demonstration module (EPDM) flight thruster system. 25th International Electric Propulsion Conference, 1997, IEPC-97-100.
25. Garkusha V.I., Zakharenkov L.E., Rusakov A.V., Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Yurchenko N.A. Issledovanie mnogodvigatel'noi sistemy, sostoyashchei iz neskol'kikh odnovremenno rabotayushchikh dvigatelei s anodnym sloem [A study of a multi-thruster system consisting of several simultaneously operating thrusters with anode layer]. In: Teoreticheskie i eksperimental'nye issledovaniya voprosov obshchei fiziki. Ed. Anfimov N.A. Korolev, TsNIImash publ, 2006, pp. 3-20.
26. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V., Garkusha V.I., Lebedev Y.V. Study of the 3-TAL thruster assembly operation. 29th International Electric Propulsion Conference, 2005, IEPC-2005-185.
27. Semenkin A.V., Kochergin A.V., Garkusha V.I., Chislov G.O., Rusakov A.V., Tverdokhlebov S.O., Sota C. RHETT/ EPDM flight anode layer thruster development. 25th International Electric Propulsion Conference, 1997, IEPC-97-106.
28. Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O. Development strategy for 100 kW-class Hall propulsion. 51st International Astronautical Congress, 2000, IAF-00-S.4.07.
29. Jankovsky R., Tverdokhlebov S.O., Manzella D. High power Hall thrusters. 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 1999, AIAA 99-2949.
30. Kotel'nikov V.A., Kim V.P., Kotel'nikov M.V. Zondovye izmereniya v zatoplennoi razrezhennoi strue plazmy [Probe measurements in immersed plasma jet]. Pis'ma v ZhTF, 2010, vol. 36, issue 16, pp. 70 - 75.
31. Zakharenkov L.E., Semenkin A.V., Lebedev Yu.V. Osobennosti izmerenii i rezul'taty issledovaniya lokal'nykh parametrov plazmy dvigatelei s anodnym sloem [Special aspects of taking measurements of and results of studies into local parameters of plasma in thrusters with anode layer]. Kosmonavtika i raketostroenie, 2004, no. 1(34), pp. 14-33.
