CC BY
18УДК 621.455.4
йО!: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-118-127
КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВЧ ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
И. С. Вавилов, К. И. Жариков, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, И. А. Кузьменко
Омский государственный технический университет, Россия, 644050, г. Омск, пр. Мира, 11
Авторы продолжают работу в области калориметрических исследований параметров ускоренной ионизированной струи газа прототипов СВЧ ионных микродвигателей с энергопотреблением до 10 Вт. В данной работе представлен усовершенствованный калориметрический метод. Введение в конструкцию теплоприемника в виде тонкого экрана позволяет выделить тепловую составляющую, образованную прохождением электрического тока через плазму в ускоряющем промежутке. Были проведены калориметрические исследования прототипа с двухэлектродной ускоряющей системой при одинаковых ускоряющих напряжениях и мощности СВЧ генератора и разных массовых расходах газа. Показано, что при расходе азота 5,668-10-' кг/с скорость смешанной струи (нейтральный газ с ионизированной компонентой) газа составила 63,75 м/с, реактивная тяга составила 0,36 мкН. При расходе азота 1,611'10-8 кг/с скорость смешанной струи газа составила 47,9 м/с, реактивная тяга составила 0,77 мкН. Рабочим телом прототипа являлся азот при давлении в вакуумной камере 22 Па.
Ключевые слова: калориметр, СВЧ, плазма, малый космический аппарат, азот, тяга, скорость, тепловизор.
Введение
В настоящее время авторы ведут работы, поддержанные Российским научным фондом, в части проектирования, изготовления и исследования СВЧ ионных двигателей с элементами ускорительной техники. Первые работы [1—4] носили оценочный теоретический характер, где представлялась концепция проектируемого двигателя и предсказывались его характеристики. Практическая реализация проекта привела к внедрению зондового метода диагностики невозмущённой СВЧ плазмы [5] и развитию методов определения параметров ускоренной ионной струи (рис. 1). На материально-технической базе научно-исследовательской лаборатории «Двигательные установки микротяги малых космических аппаратов» ОмГТУ были разработаны и внедрены в исследовательский процесс: расходомер для определения малых расходов рабочего газа [6, 7]; теоретическая основа и техническое обеспечение для определения скорости ионной струи ионно-меточным методом (ИМ-метод) [8]; теоретическая основа и техническое обеспечение для определения силы давления реактивной струи аэродинамическим методом двойного угла (АМав-метод) [9] как вариация крутильных весов; теоретическая основа и техническое обеспечение для определения силы давления реактивной струи резонансным аэродинамическим методом (РАМ-метод) [10]; калориметрический метод определения мощности смешанной (нейтральный + ионизированный газ) струи [11].
В ходе ранних исследований прототипов ионных двигателей (электростатический ионный двигатель и двухзазорный СВЧ ионный двигатель) был выявлен существенный недостаток калориметрического
метода: при увеличении расхода газа калориметр фиксирует тепловой эффект разряда, повышение тока между электродами ионно-оптической системы (ИОС) ведёт к увеличению тепловыделения по закону Джоуля — Ленца. Суммарный тепловой эффект струи увеличивается, т.к. в показаниях калориметра включена не только энергия заторможенной струи, но и тепловая составляющая нагретого газа.
В данной работе авторы представляют калориметрические исследования простейшего ионного двигателя с магнитным кольцевым высокочастотным зазором и двухэлектродной ИОС с постоянной ускоряющей разностью потенциалов на усовершенствованном калориметре. Таким образом, основная цель данной работы — представить усовершенствованную конструкцию калориметра, позволяющую выделить тепловую компоненту струи, обусловленную джоулевым тепловыделением.
Постановка задачи
Авторами был разработан и изготовлен прототип СВЧ ионного двигателя с двухэлектродной ИОС (рис. 2). Ускоряющая система представлена двумя перфорированными электродами с одинаковой апертурой отверстий (0,5 мм), выполненных из нержавеющей стали (поз. 1). Электроды ИОС установлены на корпус из АБС-пластика (поз. 3) на расстоянии 2 мм друг от друга. Рабочее тело (азот) подводится в полость двигателя по газоводу (поз. 2). В полости соосно расположены кольцевой и дисковый магниты, таким образом, создаётся кольцевой зазор. В корпусе (поз. 4) расположены контакты от СВЧ генератора и защитные плоские конденсаторы, предотвращающие пробой высокого напряжения ИОС на СВЧ-транзистор. Полость
Рис. 1. Методы исследования ионных двигателей Fig. 1. Methods of research of ion thrusters
F < о Н
i >
N1
O s
K о E н T i
>o
z А
о >
Рис. 2. Экспериментальный прототип СВЧ ионного двигателя с кольцевыми магнитами Fig. 2. Experimental prototype of a microwave ion thruster with ring magnets
Рис. 3. Схема усовершенствованного калориметра Fig. 3. Scheme of the improved calorimeter
(поз. 4) заполнена диэлектриком — парафином. СВЧ генератор установлен в медном корпусе (поз. 5) и снабжён системой охлаждения — элементом Пельтье. Горячая сторона элемента Пельтье контактирует с медным корпусом через медную проставку. По проводникам (поз. 6) к электродам ИОС подводится высокое напряжение. Питание СВЧ генератора осуществляется от внешнего источника, расположенного вне вакуумной камеры.
Работа прототипа осуществляется следующим образом: обеспечивается подвод газа низкого расхода (до 0,5 мг/с), обеспечивается подвод электрической энергии к плате автогенератора, визуально определяется наличие высокочастотного емкостного разряда (белое свечение в кольцевом зазоре), обеспечивается подвод высокого напряжения на сетки ионно-оптической системы (максимальное напряжение ограничено моментом возникновения вторичного тлеющего разряда в межэлектродном промежутке, который визуально определяется как единичные мощные пробои в отверстиях сеток ИОС).
В эксперименте питание СВЧ генератора всё время было фиксированным и составляло 7 В и 0,51 А (на замере № 1) и 0,56 А (на замере № 2). Неизменным было напряжение на сетках ИОС: номинальное напряжение 608,3 В, установившееся — 595 В (в первом замере) и 593,4 В (во втором замере).
Схема калориметра представлена на рис. 3. В металлической ёмкости (поз. 1) установлен диск из органического стекла (поз. 5) с отверстием, диаметром 20 мм. В отверстие установлен датчик теплового потока ДТП 0924-Э-Д-20-0. Посредством термопасты датчик контактирует с медным диском (поз. 4), который служит для сбора тепловой энергии потока. Датчик с помощью прижима (поз. 6) фиксируется в диске (поз. 5). Приборный отсек (поз. 2) выполнен из металла, гальванически связан с ёмкостью поз. 1 и служит для ограждения сигнальных проводов датчика (поз. 7) от электромагнитного излучения и установки коаксиальных разъёмов (поз. 8). Сетка (поз. 9) также служит для электромагнитной защиты датчика и сигнальных проводов. На корпусе (поз. 1) установлены две рейки из органического стекла (поз. 10), на которых растянут экран (поз. 11) из тонкой бумаги (масса экрана -0,043 гр.). Экран расположен так, чтобы разрезать ионный поток при входе того в полость калориметра. Масса экрана известна, удельная теплоёмкость экрана является табличной величиной (взята для целлюлозы). В процессе эксперимента производится термогра-фирование экрана тепловизором Testo 872i.
Характеристики датчика плотности теплового потока приведены на сайте производителя [12] и в формуляре:
1. Рабочий диапазон температур +10 ... +150 °C;
2. Диапазон измерения плотности теплового потока 10 ... 1500 Вт/м2;
3. Термическое сопротивление датчика 0,004 . 0,03(м2 -°С)/Вт;
о. 2
Рис. 5. Схема калориметрических исследований Fig. 5. Scheme of calorimetric studies
Рис. 4. Экспериментальный калориметр Fig. 4. Experimental calorimeter
4. Значение основной относительной погрешности 6 %;
5. Коэффициент преобразования 37,08 Вт/м^мВ;
6. Габаритные размеры не более 20 мм.
На рис. 4 представлено фотографическое изображение усовершенствованного калориметра. На рисунке позициями обозначены: 1 — приборный отсек; 2 — ёмкость калориметра (теплоприём-ник); 3 — экран из целлюлозы; 4 — сетка электромагнитной защиты датчика.
Калориметрические исследования прототипа производились ступенчато с последовательным подключением энергетических воздействий. На режиме «НОЛЬ» производилось термографирование экрана калориметра при отсутствии подачи газа и электромагнитной энергии. На режиме «ГАЗ» производился замер температуры экрана калориметра при подаче нейтрального газа в камеру двигателя. На режиме «ГАЗ + СВЧ + РП» производился замер температуры экрана калориметра при подаче нейтрального газа, существовании высокочастотного емкостного разряда в присутствии ускоряющего напряжения на сетках ИОС. На последнем режиме «ВЫКЛ. ВСЕГО» производилось одновременное отключение вех воздействий и остывание экрана калориметра.
Время проведения исследования ограничено ёмкостью аккумулятора тепловизора. За всё время были получены данные с двух замеров. Каждый замер характеризуется ростом давления газа в ёмкости расходомера, установлением установившегося режима и падением давления в результате перекрытия питающей магистрали.
В результате термографирования на первом замере было получено 34 термограммы экрана калориметра: 4 термограммы режима «НОЛЬ», 11 термограмм режима «ГАЗ», 12 термограмм режима «ГАЗ + СВЧ + РП» и 7 термограмм режима «ВЫКЛ. ВСЕГО». Полученные термограммы позволяют определить точное время произведения замера и среднюю температуру экрана калориметра.
В результате термографирования на втором замере было получено 34 термограммы экрана кало-
риметра: 3 термограммы режима «НОЛЬ», 9 термограмм режима «ГАЗ», 13 термограмм режима «ГАЗ + СВЧ + РП» и 9 термограмм режима «ВЫКЛ. ВСЕГО».
Принципиальная схема проведения экспериментальных исследований приведена на рис. 5. Эксперимент проводился в условиях вакуумной камеры (поз. 1) при давлении 22 Па. Прототип СВЧ ионного двигателя (поз. 2) установлен напротив входа в калориметр (поз. 17), экран калориметра (поз. 3) «разрезает» ионный поток. Термографирование экрана калориметра производится тепловизором (поз. 15). Контроль давления в вакуумной камере производится датчиком ПМТ-6-3М-1 (поз. 4) и вакуумметром «МЕРАДАТ-ВИТ» 14Т (поз. 5). Азот из баллона (поз. 16) через газовый редуктор (поз. 13) и электромагнитный клапан (поз. 12) поступает в полость расходомера (поз. 10). Значения давления в ёмкости расходомера через вакуумметр «МЕРАДАТ-ВИТ» 16Т (поз. 7) с частотой 1 с-1 заносится в самописец и отображается на экране ПК (поз. 6). Температура газа в ёмкости расходомера определяется термопарой ТХА и с частотой один раз в 5 с-1 через преобразователь МИТ-8 (поз. 8) заносится в память ПК. Показания датчика плотности теплового потока через прибор МИТ-8 заносятся в память ПК. Частота опроса датчика — один раз в пять секунд. Ротаметр (поз. 11) является регулирующим элементом, через него газ поступает в полость прототипа (поз. 2). На магнитные электроды прототипа подаётся СВЧ энергия от генератора, который питается от внешнего источника энергии (поз. 9). Напряжение на сетках ИОС подаётся от внешнего источника напряжения (поз. 19), контроль напряжения производится вольтметром (поз. 14). ИОС запускается замыканием ключа (поз. 18).
Теория
Для определения массового расхода рабочего газа используются данные с вакуумметра «МЕРАДАТ-ВИТ» 16Т и многоканального измерителя температуры МИТ-8. Строится временная диаграмма изменения давления и температуры газа в измерительной ёмкости расходомера (рис. 6). На участке стационарного режима выделяются точки установившегося давления и температуры
Т-ТАЦ ТПАД
СТАЦ
500 1000 1500 2000 Z500 3000 3500 4000 4500 Время, сек
Рис. 6. Диаграмма к определению массового расхода газа Fig. 6. Diagram for determining the mass flow rate of gas
Рис. 7. Диаграмма изменения плотности теплового потока в калориметре Fig. 7. Diagram of the change in heat flux density in a calorimeter
1Ч
о Н
О И О О 2 Н T х >0 z А о >
(РСТАЦ и ТСТАЦ). После перекрытия магистрали происходит падение давления в ёмкости, в начальный период времени — практически прямолинейно. На прямолинейном участке выбираются точки РПАД и ТПАД. На диаграмме определяется период между стационарным режимом и режимом падения давления — Д^ Зная объём ёмкости расходомера можно определить массовый расход газа по формуле:
M ■ V
At ■ R
1СТАЦ
P II P
СТАЦ I I ПАД
ПАД
(1)
P = P 4 P .
полн скор тепл
Отсюда:
P = P - P .
скор полн тепл
(3)
Полная тепловая мощность Р получена экспе-
1 полн
риментально по показаниям датчика плотности теплового потока. Тепловая мощность Р получена
1 тепл
путём теоретической обработки экспериментальных данных по термограммам.
Мощность скоростно го напора можно вы разить через уравнение кинетиче с кой энергии пото ка:
(4)
где М — молекуирная масса исследуемого газа (азот); Я — универсальнм газовая постоянная; У=8,62Ы0-4 м3 — объём ёмкости расходомера.
Тепловая мощность Рполи, приходящая на чувствительный э лементкалориметра, равна сумме тепловых мощностей си ростного напора смешанного газа (ионизированный газ с нейтральным газом) Р и джоулева тепла Р (нагрев газа осущест-
скор ^ т епл ' 1 ^ 1
вляется за счет прохождения электрического тока через газ в зазоре между сетками ИОС):
2
где иГАЗ — полугено экс:пертментальнопо форму-ле(1).
Соответственно, скирозть потока смешанного газа можно получить по формуле:
Ир
(5)
Для определения полной тепловой мощности строится временная диаграмма изменения плотно-
2
и
и =
сти теплового потока. Диаграмму плотности теплового потока удобно рассматривать относительно диаграммы давления в по ло с ти расходо мер а (р ис . 7).
На диаграмме видны характеоные рочки начала роста плотности теплотого патока при включении прототипа двивателя (01 — для пе.вого замера, Q3 — для второго запера) и точки теплочого установившегося режима (02 — для первого замера, Q4 — для второ гг заме ра).
Соответственна полная т еплов ая мощность для первого замера аолеатияатск по фоамрле:
Рполн1 = Оа -Ol)
ж • D
для второго заме р^
Рролоа = О - O3 )
ж-D2
(6)
(7)
диаметр датчика плотности тепло-
где D = 20 мм вого потока.
Для определрния элементарного теплового потока на э=рен релор=мет-а используется формула:
ОеЕ
Дж
= с-тэ °Тт -Tj,
(8)
Ое,
МТ
Результаты экспериментов
По формуле (1) по данным с вакуумметра и прибора МИТ-8 для первого замера было получено значение массового расхода нейтрального газа — 5,66840-9 кг/с, для второго замера массовый расход составил — 1,611 '10т8 лг/м а*,лр ке рвогр згм ер а по формуле (6) имеем полную ткпровую ррщ-ность ионизированной ускоренной струи (при Q1 = = 0,24 Вт/м2 и Q2 = 0,37 В т/м2), которая равна 40,841 мкВт. Для второго замера то формуле (7) имеем полную тепловую мощность ионизированной ускоренной струи (п р и Q3 = 0,32 Вт/м2 и Q4 = = 0,46 Вт/м2), которая равна 43,982 мкВт. В табл. 1 приведены средние значения температуры экрана в различные моменты времени. Часы тепловизора синхронизированы с часами ПК , в память которого заносятся данные о плотности теплового потока, давления и температуры в расходомере. Таким образом, в табл. 1 время термоекафироаания экрана синхронно с временной шкалой диаграмм (рис. 6 и рис. 7). По формумам (8) п (9) и трбл. О для режима «ГАЗ + СВЧ + РП» перчого замер а п олуча ем величину тепловой мощности Р =29,32 мкВт.
1 тепл
По формуле (5) скоростьсмешанного газа при воздействии СВЧ поля и ускоряющей разности потенциалов составила 63,75 м/с. Тяиу двигателя можно определить по с егпнош ению:
где с п ОЯСС —- — -удвльная теплоамкость экрана
ьг • К
(целлюлоза); тЭ — масса экрана; Тт — средняя температура экрана вмомект вромени t ; Т — средняя температура экраеа в момент времени tn. Средние температуры экрана определяются из термограмм.
Мощность теппояогв тоздействия на экран является суммой элементарных подводов тепловой энергии к экрану калориметра, отнесённых ко всему времени измерения:
w = mr
(10)
(9)
где AL — время теплового переходного процесса.
Таким образом, тяга двигателя на первом замере составила 0,36 мкН. Если не производить учёт тепловой составляющей потока, то теоретический анализ показывает завышенные значения величин: скорость 120 м/с, тяга — 0,68 мкН. По формулам (8) и (9) и табл. 2 для режима «ГАЗ + СВЧ + РП» второго замера получаем величину тепловой мощности Ртепл=25,48 мкВт. По формуле (5) скорость смешанного газа при воздействии СВЧ поля и ускоряющей разности потенциалов составила 47,925 м/с. Тяга двигателя по формуле (10) равна 0,77 мкН. Если не производить учёт тепловой составляющей потока,
Таблица 1. Средние температуры экрана калориметра на замере № 1 Table 1. Average temperatures of the calorimeter screen on the measurement № 1
«НОЛЬ» «ГАЗ» «ГАЗ + СВЧ + РП» «ВЫКЛ. ВСЕГО»
Время, сек. Температура, °С Время, сек. Температура, °С Время, сек. Температура, °С Время, сек. Температура, °С
27 18,8 289 18,8 742 19,1 1294 19,1
55 18,9 326 18,8 757 19,1 1309 19,2
162 19,0 352 19,0 777 19,1 1316 19,2
255 18,9 376 18,9 800 19,1 1329 19,1
387 18,9 828 19,2 1702 19,2
408 18,9 847 19,2 1785 19,2
425 18,9 871 19,2 1831 19,2
459 19,0 922 19,2
533 18,9 986 19,2
559 18,9 1034 19,2
670 19,0 1141 19,3
1206 19,3
4
и
D
Таблица 2. Средние температуры экрана калориметра на замере № 2 Table 2. Average temperatures of the calorimeter screen on the measurement № 2
«НОЛЬ» «ГАЗ» «ГАЗ + СВЧ + РП» «ВЫКЛ. ВСЕГО»
Время, сек. Темпер., °С Время, сек. Темпер., °С Время, сек. Темпер., °С Время, сек. Темпер., °С
1921 19,1 2119 19,2 2519 19,5 3556 19,7
1971 19,2 2125 19,2 2528 19,5 3564 19,7
2011 19,2 2149 19,2 2544 19,5 3580 19,7
2162 19,2 2569 19,5 3599 19,7
2179 19,2 2585 19,5 3624 19,8
2217 19,2 2620 19,5 3668 19,7
2313 19,3 2637 19,5 3737 19,6
2335 19,3 2674 19,5 3752 19,6
2423 19,3 2722 19,5 3799 19,8
2870 19,7
2965 19,6
3377 19,9
3451 19,8
§1
О И О О 2 Н
Рис. 8. Диаграмма изменения температуры экрана при подводе энергетических воздействий Fig. 8. Diagram of the screen temperature change during the supply of energy influences
» s
о Т 20
то теоретический анализ показывает следующие значения величин: скорость — 73,893 м/с, тяга — 1,19 мкН. По данным, представленным в табл. 1 и табл. 2, построена диаграмма изменения температуры экрана калориметра (рис. 8). Для наглядности совместно представлена диаграмма изменения плотности теплового потока. На рис. 9 представлены термограммы экрана калориметра основных режимов замера № 2. Для наглядности, термограммы приведены к единой температурной шкале.
Обсуждение результатов
В результате калориметрических исследований для двух последовательных замеров были получены данные, которые можно представить в виде табл. 3. Массовый расход на замере № 2 в 2,84 раза выше массового расхода на замере № 1. При этом полная тепловая мощность струи (показания датчика плотности теплового потока) при подаче СВЧ энергии и постоянной ускоряющей разности потенциалов увеличивается в 1,08 раза. Тепловая мощность, обусловленная джоулевым тепловыделением, падает в 1,15 раза. Увеличение расхода газа при отсутствии вторичного тлеющего разряда между электродами ИОС приводит к меньшему нагреву экрана калориметра. Установившееся напряжение между сетками ИОС в первом замере составило 595 В, а во втором
замере — 593,4 В. Видно, что ток между сетками при увеличении расхода увеличился незначительно, следовательно, прироста резистивного теплового потока не произошло. Соответственно, одна и та же тепловая энергия распределялась в разных объёмах нейтрального газа. Нагрев газа во втором замере был ниже, чем в первом, что и обусловило меньший нагрев экрана калориметра. По формулам (8) и (9) и табл. 1 и табл. 2 для режима «ГАЗ» первого и второго замера величины тепловой мощности составили 12,62 мкВт и 12,72 мкВт соответственно. Показания датчика плотности теплового потока на режиме «ГАЗ» не менялись (рис. 8). Это означает, что влияние скоростного напора газа, без подведённой энергии, во всех замерах ничтожно мало и не меняется при увеличении расхода нейтрального газа. По формуле (3) мощность скоростного тепловыделения составила 11,5 мкВт (на первом замере) и 18,5 мкВт (на втором замере). Скоростная тепловая мощность во втором случае выше того же параметра первого случая в 1,6 раза. Из сказанного можно сделать вывод, что прирост скоростной энергии обусловлен не увеличением скорости ионизированного потока (ускоряющее напряжение в обоих замерах одинаковое), а увеличением количества ионизированных частиц, движущихся с той же скоростью. Отчасти это подтверждается снижением установившегося ускоряющего напря-
4Jit ' ^ :
18.7 18,9 19,0 19.1 19.2 19.3 19.4 19,6 19,7
Режим «НОЛЬ», время замера — 2011 сек.
■Р'- Ч ■- о
П Изотерма Н'Л ntSit £Ш
Минимум; 18.7 "С №ксимум: 20.2 'ССреднее значение: 19,3 °С
0,1?3,7 13.3 19,0 19.1 19.3 19,4 19.6 19,В 19.9 20.1
Режим «ГАЗ», время замера — 2423 сек.
Режим «ГАЗ + СВЧ + РП», время замера — 3451 сек.
■leUlal pi
Минимум 18.9 "С Максимум: 20.6 'ССредиее значение: 19.6 "С
8.9 19.0 19,2 19.4 19,6 19.7 19.9 20,1 20.2 20,4
Режим «ВЫКЛ. ВСЕГО», время замера — 3737 сек.
Рис. 9. Пример термограмм экрана калориметра замера № 2 Fig. 9. Example of thermograms of the screen of the calorimeter of measurement № 2
Таблица 3. Сводная таблица расчётных значений Table 3. Summary table of calculated values
тГАЗ, кг/с Рполн, мкВт Ртепл, мкВт с, м/с W, мкН
Замер № 1 5,668-10-9 40,841 29,32 63,75 0,36
Замер № 2 1,61110-8 43,982 25,48 47,925 0,77
жения во втором замере на 1,6 В и увеличением тока потребления СВЧ генератора с 0,51 А до 0,56 А. То есть увеличение давления в рабочей камере экспериментального прототипа способствует большему плазмообразованию (уменьшается длина свободного пробега молекул, частицы дольше находятся под воздействием высокочастотного излучения), электропроводность плазмы увеличивается, ток, проходящий через СВЧ транзистор, повышается. Имеет место инжекторный эффект, когда ускоренные ионы, сталкиваясь в ускоряющем зазоре с нейтральными молекулами, передают им часть своей кинетической энергии. Скорость ионов падает, скорость смешанного газа растёт. Увеличение массового расхода приводит к росту давления в зазоре, увеличивается частота столкновений, ветви передачи кинетической энергии разрастаются. Во втором замере скорость нейтрального газа со-
ставила около 48 м/с, когда в случае низкого давления (замер № 1) она составила 63,75 м/с. Несмотря на снижение скорости за счёт увеличения массового расхода нейтрального газа, общая тяга во втором случае выше в два раза, чем в первом.
Выводы и заключение
Авторами представлен усовершенствованный калориметрический метод определения параметров струи ионизированного газа. Видно, что учёт резистивного тепловыделения снижает расчётную величину тяги в 1,9 раза (для замера № 1) и в 1,5 раза (для замера № 2). Как было сказано выше, в ряду методов и методик определения параметров ионных двигателей, разработанных и освоенных авторами (рис. 1), калориметрический метод выделялся завышением величин скоростных и тяговых
параметров. Учёт джоулева тепла выравнивает этот дисбаланс. Можно отметить такой недостаток метода, как длительность экспериментального процесса, обусловленную высокой тепловой инерцией при малых тепловых потоках. По данному критерию он значительно уступает аэродинамическому методу и ионно-меточному (времяпролетному) методу. Однако только калориметрический метод позволяет оценить потери энергии на нагрев рабочего газа в межэлектродном промежутке и распределение энергий в зависимости от массового расхода (давления) и степени развитости вторичного тлеющего разряда.
Благодарности
Данные исследования проводятся в рамках финансовой поддержки Российского научного фонда (проект № 19-79-10038).
Список источников
1. Vavilov I. S., Lukyanchik A. I., Yachmenev P. S., Li-tau R. N., Lysakov A. V. A small spacecraft microengine with SHF impact on working medium: cooling and dilatometric evaporator valve // Journal of Physics: Conf. Series. 2018. Vol. 1050. 012095. DOI: 10.1088/1742-6596/1050/1/012095.
2. Blinov V. N., Shalay V. V., Vavilov I. S., Kositsin V. V., Ruban V. I., Lykyanchik A. I., Yachmenev P. S., Vlasov A. S. Gas dynamic model of electrothermal thrusters of small spacecraft and possibility of applying microwave heating of a working // Journal of Physics: Conf. Series. 2017. Vol. 858. 012004. DOI: 10.1088/1742-6596/858/1/012004.
3. Вавилов И. С., Лукьянчик А. И., Ячменев П. С., Ли-тау Р. Н., Кузьменко И. А. Дилатометрический микродвигатель малого космического аппарата с резонансным СВЧ-ускорителем // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т. 2, № 4. С. 36-41. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-4-36-41.
4. Вавилов И. С., Косицын В. В., Лукьянчик А. И., Ячменев П. С., Власов А. С., Лысаков А. В. О возможности разложения аммиака СВЧ-воздействием в корректирующем микродвигателе малого космического аппарата // Омский научный вестник. 2016. № 6 (150). С. 58-63.
5. Vavilov I. S., Fedyanin V. V., Yachmenev P. S., Ste-pen' P. V., Lukyanchik A. I., Zharikov K. I. Investigation of plasma parameters of a single-gas ion engine using a single Langmuir probe // Journal of Physics: Conf. Series. 2021. Vol. 1791. 012032. DOI: 10.1088/1742-6596/1791/1/012032.
6. Вавилов И. С., Ющенко В. А., Жариков К. И., Ячменев П. С. Определение массового расхода газа низкого давления // Материалы XIV Всерос. науч.-техн. конф., посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клиныш-кова. Омск, 2020. С. 10-14.
7. Ющенко В. А., Ячменев П. С. Определение массового расхода газа низкого давления, поступающего к рабочему объекту, находящемуся в условиях вакуума // Молодой исследователь: вызовы и перспективы: c6. ст. по материалам CXCVI Междунар. науч.-практ. конф. Москва: Интернаука, 2021. Т. 1 (186). С. 548-555.
8. Федянин В. В., Вавилов И. С., Ячменев П. С., Жариков К. И., Лукьянчик А. И., Степень П. В. Определение скорости ионного пучка ускорительного двухзазорного микродвигателя // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9, № 2. С. 108-118. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-108-118.
9. Вавилов И. С., Ячменев П. С., Жариков К. И., Федя-нин В. В., Степень П. В., Лукьянчик А. И. Определение тяги ионного двигателя аэродинамическим методом двойного угла (АМаВ-метод) // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9, № 2. С. 78-85. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-78-86.
10. Вавилов И. С., Ячменев П. С., Федянин В. В., Степень П. В., Лукьянчик А. И., Жариков К. И. Определение тяги ионного двигателя резонансным аэродинамическим методом (РАМ-метод) // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9, № 2. С. 70-78. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-70-77.
11. Вавилов И. С., Федянин В. В., Ячменев П. С., Жариков К. И., Лукьянчик А. И., Степень П. В. Определение параметров СВЧ ионного двигателя калориметрическим методом // Динамика систем, механизмов и машин. 2021. Т. 9, № 2. С. 48-53. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-48-53.
12. Датчики теплового потока ДТП 0924. URL: https:// omsketalon,ru/datchiki-teplovogo-potoka-dtp-0924 (дата обращения: 19.01.2022).
ВАВИЛОВ Игорь Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ), г. Омск. SPIN-код: 3468-6744 AuthorID (РИНЦ): 518332 AuthorID (SCOPUS): 56610211900 ResearcherID: B-2634-2014 Адрес для переписки: vava-igg@mail.ru ЖАРИКОВ Константин Игоревич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, г. Омск. SPIN-код: 9469-0544 ORCID: 0000-0002-4966-1788 AuthorID (SCOPUS): 57192074889 ResearcherID: E-9087-2014
ЯЧМЕНЕВ Павел Сергеевич, ассистент, аспирант
кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, г. Омск.
SPIN-код: 4744-0940
ORCID: 0000-0003-3483-4321
AuthorID (SCOPUS): 57193405041
ResearcherID: P-5381-2016
Адрес для переписки: yachmenev-pavel@mail.ru ФЕДЯНИН Виктор Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ, г. Омск. SPIN-код: 1728-1697 ORCID: 0000-0003-3126-9865 AuthorID (SCOPUS): 57194235343 ResearcherID: O-9899-2015
СТЕПЕНЬ Павел Валерьевич, ассистент кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, г. Омск. ЛУКЬЯНЧИК Антон Игоревич, ассистент, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, г. Омск. SPIN-код: 2378-9723 ORCID: 0000-0002-3309-4125 AuthorID (SCOPUS): 57189506536 ResearcherID: O-8722-2016
Адрес для переписки: lukyanchik1991@mail.ru КУЗЬМЕНКО Ирина Анатольевна, старший преподаватель кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ, г. Омск.
Для цитирования
Вавилов И. С., Жариков К. И., Ячменев П. С., Федянин В. В., Степень П. В., Лукьянчик А. И., Кузьменко И. А. Калориметрические исследования СВЧ ионного двигателя // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 1. С. 118-127. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-6-1-118-127.
Статья поступила в редакцию 10.02.2022 г. © И. С. Вавилов, К. И. Жариков, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, И. А. Кузьменко
I ■
л
О
IS 1> N1
OS о О E н T х >0 z А
■ К > О
äs
i о
О
< К
O О
UDC 621.455.4
DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-118-127
CALORIMETRIC STUDIES OF MICROWAVE ION THRUSTER
I. S. Vavilov, K. I. Zharikov, P. S. Yachmenev, V. V. Fedyanin, P. V. Stepen, A. I. Lukyanchuk, I. A. Kuzmenko
Omsk State Technical University, Russia, Omsk, Mira Ave., 11, 644050
The authors continue their work in the field of calorimetric studies of the parameters of an accelerated ionized gas jet of prototypes of microwave ion micro-thrusters with an energy consumption of up to 10 watts. This paper presents an improved calorimetric method. The introduction into the design of a heat receiver in the form of a thin screen makes it possible to allocate the thermal component formed by the passage of an electric current through the plasma in the accelerating gap. Calorimetric studies of the prototype with a two-electrode accelerating system are carried out at the same accelerating voltages and power of the microwave generator and different mass gas flow rates. It is shown that at a nitrogen consumption of 5,668'10-9 kg/s, the velocity of the mixed jet (neutral gas with ionized component) of the gas was 63,75 m/s, the jet thrust is 0,36 pN. With a nitrogen consumption of 1,611'10-8 kg/s, the speed of the mixed gas jet was 47,9 m/s, the jet thrust was 0,77 pN.
Keywords: calorimeter, microwave, plasma, small spacecraft, nitrogen, thrust, speed, thermal imager.
Acknowledgments
The research is carried out at the expense of a grant from the Russian science Foundation (Project No. 1979-10038).
References
1. Vavilov I. S., Lukyanchik A. I., Yachmenev P. S., Li-tau R. N., Lysakov A. V. A small spacecraft microengine with SHF impact on working medium: cooling and dilatometric evaporator valve // Journal of Physics: Conf. Series 2018. Vol. 1050. 012095. DOI: 10.1088/1742-6596/1050/1/012095. (In Engl.).
2. Blinov V. N., Shalay V. V., Vavilov I. S., Kositsin V. V., Ruban V. I., Lykyanchik A. I., Yachmenev P. S., Vlasov A. S. Gas dynamic model of electrothermal thrusters of small spacecraft and possibility of applying microwave heating of a working // Journal of Physics: Conf. Series 2017. Vol. 858. 012004. DOI: 10.1088/17426596/858/1/012004. (In Engl.).
3. Vavilov I. S., Lukyanchik A. I., Yachmenev P. S., Litau R. N., Kuzmenko I. A. Dilatometricheskiy mikrodvigatel' malogo kosmicheskogo apparata s rezonansnym SVCh-uskoritelem [Dilatometric Microdrive of small spacecraft with resonant microwave accelerator] // Omskiy nauchnyy vestnik. Seriya Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2018. Vol. 2, no. 4. P. 36-41. (In Russ.).
4. Vavilov I. S., Kosicyn V. V., Lukyanchik A. I., Yachme-nev P. S., Vlasov A. S., Lysakov A.V. O vozmozhnosti razlozheniya ammiaka SVCH-vozdejstviem v korrektiruyushchem mikrodvigatele malogo kosmicheskogo apparata [On the possibility of ammonia microwave discharge decomposition for corrective truster small spacecraft] // Omskiy nauchnyy vestnik. Omsk Scientific Bulletin. 2016. No. 6 (150). P. 58-63. (In Russ.).
5. Vavilov I. S., Fedyanin V. V., Yachmenev P. S., Ste-pen' P.V., Lukyanchik A. I., Zharikov K. I. Investigation of plasma parameters of a single-gas ion engine using a single Langmuir probe // Journal of Physics: Conf. Series 2021. Vol. 1791. 012032. DOI: 10.1088/1742-6596/1791/1/012032. (In Engl.)
6. Vavilov I. S., Yushchenko V. A., Zharikov K. I., Yachme-nev P. S. Opredeleniye massovogo raskhoda gaza nizkogo
davleniya [Determination of the mass flow rate of low pressure gas] // Materialy XIV Vseros. nauch.-tekhn. konf., posvyashchennoy pamyati glavnogo konstruktora PO «Polet» A. S. Klinyshkova. Materialy XIV Vseros. nauch.-tekhn. konf., posvyashchennoy pamyati glavnogo konstruktora PO «Polet» A. S. Klinyshkova. Omsk, 2020. P. 10-14. (In Russ.)
7. Yushchenko V. A., Yachmenev P. S. Opredeleniye massovogo raskhoda gaza nizkogo davleniya, postupayushchego k rabochemu ob"yektu, nakhodyashchemusya v usloviyakh vakuuma [Determination of the mass flow rate of low-pressure gas flowing to a working object in vacuum conditions] // Molodoy issledovatel': vyzovy i perspektivy. Young Researcher: Challenges and Prospects. Moscow, 2021. P. 548-555. (In Russ.).
8. Fedyanin V. V., Vavilov I. S., Yachmenev P. S., Zhari-kov K. I., Lukyanchik A. I., Stepen' P. V. Opredeleniye skorosti ionnogo puchka uskoritel'nogo dvukhzazornogo mikrodvigatelya [Determination of the ion beam velocity of an accelerator two-gap ion thruster] // Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2021. Vol. 9, no. 2. P. 108-118. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-108-118. (In Russ.).
9. Vavilov I. S., Yachmenev P. S., Zharikov K. I., Fedya-nin V. V., Stepen' P. V., Lukyanchik A. I. Opredelenie tyagi ionnogo dvigatelya aerodinamicheskim metodom dvojnogo ugla (AMaB-metod) [Determination of the thrust of an ion thruster by the aerodynamic method of double angle (AMaB-method)] // Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2021. Vol. 9, no. 2. P. 78-85. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-78-86. (In Russ.).
10. Vavilov I. S., YAchmenev P. S., Fedyanin V. V., Ste-pen' P. V., Lukyanchik A. I., Zharikov K. I. Opredelenie tyagi ionnogo dvigatelya rezonansnym aerodinamicheskim metodom (RAM-metod) [Determination of the thrust of an ion thruster by the resonant aerodynamic method (RAM-method)] // Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2021. Vol. 9, no. 2. P. 70-78. DOI: 10.25206/23109793-9-2-70-77. (In Russ.).
11. Vavilov I. S., Fedyanin V. V., Yachmenev P. S., Zhari-kov K. I., Lukyanchik A. I., Stepen' P. V. Opredelenie parametrov SVCH ionnogo dvigatelya kalorimetricheskim metodom [Determination of the parameters of the microwave ion thruster by the calorimetric method] // Dinamika sistem, mekhanizmov
i mashin. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. 2021. Vol. 9, no. 2. P. 48-53. DOI: 10.25206/2310-9793-9-2-48-53. (In Russ.).
12. Datchiki teplovogo potoka DTP 0924. URL: https:// omsketalon,ru/datchiki-teplovogo-potoka-dtp-0924 (accessed: 12.02.2022). (In Russ.).
VAVILOV Igor Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Aviation and Rocketry Department, Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk. SPIN-code: 3468-6744, AuthorlD (RCSI): 518332 AuthorlD (SCOPUS): 56610211900 ResearcherlD: B-2634-2014
Address for correspondence: vava-igg@mail.ru ZHARIKOV Konstantin Igorevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Aviation and Rocketry Department, OmSTU, Omsk. SPIN-code: 9469-0544 ORCID: 0000-0002-4966-1788 AuthorlD (SCOPUS): 57192074889 ResearcherlD: E-9087-2014
YACHMENEV Pavel Sergeevich, Assistant, Graduate Student of Aviation and Rocketry Department, OmSTU, Omsk.
SPIN-code: 4744-0940 ORCID: 0000-0003-3483-4321 AuthorlD (SCOPUS): 57193405041 ResearcherID: P-5381-2016
Address for correspondence: yachmenev-pavel@mail.ru
FEDYANIN Viktor Viktorovich, Candidate of Technical
Sciences, Associate Professor of Electrical Equipment
Department, OmSTU, Omsk.
SPIN-code: 1728-1697
ORCID: 0000-0003-3126-9865
AuthorlD (SCOPUS): 57194235343
ResearcherlD: O-9899-2015
STEPEN Pavel Valer'yevich, Assistant of Aviation and Rocketry Department, OmSTU, Omsk. LUKYANCHIK Anton Igorevich, Assistant, Graduate Student of Aviation and Rocketry Department, OmSTU, Omsk.
SPIN-Kog: 2378-9723 ORCID: 0000-0002-3309-4125 AuthorlD (SCOPUS): 57189506536 ResearcherID: O-8722-2016
Address for correspondence: lukyanchik1991@mail.ru KUZMENKO Irina Anatolievna, Senior Lecturer of Aviation and Rocketry Department, OmSTU, Omsk.
For citations
Vavilov I. S., Zharikov K. I., Yachmenev P. S., Fedyanin V. V., Stepen P. V., Lukyanchuk A. I., Kuzmenko I. A. Calorimetric studies of microwave ion thruster // Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2022. Vol. 6, no. 1. P. 118-127. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-118-127.
Received February 10, 2022.
© I. S. Vavilov, K. I. Zharikov, P. S. Yachmenev, V. V. Fedyanin, P. V. Stepen, A. I. Lukyanchuk, I. A. Kuzmenko
O
IS 1>
3Ü
OS Q O E h T x >0 z A > O
is
i o
O
< K
O O
