CC BY
76
Том I
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
__
№ 3
УДК 629.783.014 : 525(47) «Янтарь»
НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕТА АВТОМАТИЧЕСКИХ ИОНОСФЕРНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ «ЯНТАРЬ»
Л. А. Арцимович, Г. Л. Гродзовский, Ю. И. Данилов, В. М. Захаров, Н. Ф. Кравцев, Р. Н. Кузьмин, М. Я. Маров, П. М. Морозов,
В. Е. Никитин, А. Н. Петунин, В. В. Уткин, В. М. Чулев,
Е. Г. Швидковский
С помощью геофизических ракет был произведен запуск на высоты 100—400 км автоматических ионосферных лабораторий «Янтарь» с газовыми плазменно-ионными двигателями для исследования перспектив управляемого полета в верхних слоях атмосферы. Полученная телеметрическая информация о функционировании бортовых систем и научных приборов высотных лабораторий позволила исследовать условия работы газового электрореактивного двигателя в ионосфере с учетом метеорологических условий и получить данные прямых измерений параметров нейтральной атмосферы. Проведено исследование сложного взаимодействия газовой ионной струи и нейтрализатора (эмиттера электронов) с плазмой ионосферы. Приведены данные научной обработки результатов проведенных экспериментов.
Автоматические ионосферные лаборатории «Янтарь». Автоматические лаборатории «Янтарь» с газовым плазменно-ионным двигателем запускаются на высоты 100—400 км с помощью геофизических ракет для исследования перспектив управляемого полета в верхних слоях атмосферы. Основные свойства верхних слоев атмосферы и принципы использования верхних слоев атмосферы для управляемого полета орбитальных аппаратов были описаны в работах [1], [2]. Главным в этой проблеме является использование воздуха верхних слоев атмосферы для экономичных двигательных систем. При этом необходимая для воздушно-реактивных орбитальных аппаратов скорость реактивной струи в десятки километров в секунду может быть реализована для газового рабочего тела только в электрореактивных двигателях [3].
Существенным этапом в изучении перспектив управляемого полета в верхних слоях атмосферы является прямое исследование особенностей условий работы газового электрореактивного двигателя (ЭРД) в верхних слоях атмосферы, что и было выполнено при полете автоматических ионосферных лабораторий «Янтарь».
Впервые испытание электрореактивных плазменных двигателей в реальных условиях космического полета было проведено на советской автоматической станции «Зонд»-2 в 1964 г., где электрореактивные плазменные двигатели использовались в качестве органов управления для системы ориентации. Следует отметить также интересные исследования работы в космосе ртутных и цезиевых ионных двигателей, про-
5—Ученые записки № 3
65
веденные в 1964—1965 гг. в США. Основной целью полета автоматических ионосферных лабораторий «Янтарь» являлось исследование взаимодействия реактивной струи газового плазменно-ионного двигателя с летательным аппаратом в условиях полета в ионосфере.
На фиг. 1 приведена фотография лаборатории. На фиг. 2 дана схема лаборатории: 4 — газовый плазменно-ионный двигатель, 5 — блок управления работой двигателя и измерительного комплекса, 6 — бортовые источники питания, 7 — радиотелеметрическая аппаратура, 3 — ионные ловушки, 8 — электростатические флюксметры, 1, 2 — ионизационные манометры, 9 — антенны.
В работах [1], [2] были изложены результаты полета лаборатории «Янтарь» с газовым ЭРД, работающим на аргоне. В настоящей статье излагаются результаты полета автоматической ионосферной лаборатории «Янтарь» с газовым плазменно-ионным двигателем, работающим на азоте. Такой двигатель содержал газовый плазменный источник, электростатический ускоритель ионной азотной реактивной струи и систему нейтрализаторов — эмиттеров электронов. Кроме термоэмиссионных нейтрализаторов, которые употреблялись при исследовании двигателя на аргоне, использовались эффективные плазменные нейтрализаторы.
Фиг. 1
Фиг. 2
В полете измерялись и с помощью радиотелеметрической аппаратуры передавались на наземную приемную станцию основные электрические параметры двигателя, величина давления окружающей среды в области установки двигателя, а также величины напряженности электрического поля и ионного тока из ионосферы на поверхности аппарата. Эти данные характеризуют взаимодействие реактивной струи (ионного пучка) с ионосферной плазмой и позволяют оценить потенциал <ро, который приобретает аппарат в процессе генерирования ионной реактивной струи. Исследование величины потенциала аппарата имеет важное значение, так как определяет коэффициент полезного действия процесса нейтрализации ионной реактивной струи.
Для определения потенциала, который приобретает летательный аппарат в процессе генерирования ионной реактивной струи, использовался описанный в [1], [2] метод, основанный на измерении величины напряженности Е = ц>г электрического поля и плотности / ионного тока из ионосферы на поверхности аппарата.
Напряженность Е электрического поля у корпуса лаборатории «Янтарь» в полете определялась с помощью двух электростатических флюксметров, описанных в [1], [2]. Плотность / ионного тока из ионосферы на поверхность лаборатории измерялась двумя типами приборов: с помощью коллекторов электростатических флюксметров, которые принимают поток ионов всех энергий, приходящих на поверхность
Фиг. 3
из ионосферы, и с помощью коллекторов ионных ловушек, которые регистрируют поток ионов с энергиями, превышющими 52 эв. Схема использованной четырехэлектродной ионной ловушки приведена на фиг. 3: /■—-экранная сетка для устранения влияния положительного потенциала сетки 2, 3 — антидинатронная сетка, 4 — коллектор, 5 — катодный повторитель, 6 — радиотелеметрическая система.
Система нейтрализации газовой ионной реактивной струи, плазменный нейтрализатор. Нейтрализатор в электрореактивном плазменно-ионном двигателе предназначен для исключения накапливания заряда на корпусе аппарата и предотвращения потери реактивной тяги. Эффективность процесса нейтрализации вследствие большой протяженности области нейтрализации практически можно исследовать только в летном эксперименте, и измерения нужно проводить на различных высотах, чтобы оценить вклад заряженных частиц верхней атмосферы.
Основные требования к нейтрализатору — долговечность, компактность, малое потребление энергии и вещества. Длительное время работы обеспечивается расположением нейтрализаторов за границами пучка ускоренных ионов, что позволяет избежать его эрозионного разрушения быстрыми ионами. При использовании термоэмиссионного катода в качестве нейтрализатора ионный ток с эммитера ограничивается объемным зарядом, что приводит к повышению потенциала летательного аппарата и снижению энергетического к. п. д. двигателя. Отрицательный объемный заряд вблизи эмиттера может быть скомпенсирован небольшим расходом ионов цезия, полученных в результате поверхностной ионизации атомов цезия. На том же эмиттере можно получить необходимый поток электронов малой энергии при достаточном удалении от ионного пучка. Так работают плазменные нейтрализаторы с поверхностной ионизацией.
В использованном плазменном нейтрализаторе эмиссия электронов и ионов цезия обеспечивалась вольфрамовым эмиттером, нагретым до температуры 2500° К. Средняя энергия электронов, определяющая зна-
чение потенциала пучка, зависит от напряжения накала, температуры эмиттера и от потока нейтральных атомов цезия. Как показали эксперименты, для получения электронного тока 1е требуется ток ионов, цезия
У
те
Ж;
L-
Оказалось более удобным применять в качестве рабочего вещества не металлический цезий, а его соли, подвергающиеся поверхностной ионизации на вольфраме и его сплавах. В использованном варианте-плазменного нейтрализатора эмиттер изготовлен из сплава вольфрама-с рением.
Схема плазменного нейтрализатора показана на фиг. 4. Хлористый цезий помещался в полости 1 корпуса 2; пары соли поступали в область расположения эмиттера 3 через микрозазор между штифтом 4 и корпусом. Хлористый цезий диссоциировал на накаленной поверхности эмиттера, затем происходила частичная ионизация атомов цезия.
Необходимый лоток пара 4 2? получался при температуре-
хлористого цезия 650—
670° С.
Фиг. 4
щи
160
1?0
80
40
1
0,75
0,5
0,25
О О
pj: ?
і ч .1* Іе max
/І
/ 1
. і < —‘ ,<Рк г— — ’
Z 3 Ч Фиг. 5
В і[мин]
Фиг. 6
Перед установкой на лабораторию «Янтарь» плазменные нейтрализаторы проходили предварительные испытания: нейтрализатор устанавливался перпендикулярно границе пучка ускоренных ионов на расстоянии 1—2 см от нее, скомпенсированный ионный пучок направлялся на «плавающий» коллектор, потенциал которого близок к потенциалу ионного пучка, при этом обеспечивался устойчивый электронный ток 1е. Зависимость изменения тока /е//гтах от времени показана на фиг. 5; там же показано изменение потенциала коллектора ?*, который принимал стационарное значение, равное ^^5—10 в при достиже-
лии насыщения электронного тока с нейтрализатора. Испытания показали надежную работу нейтрализатора при многократном включении и устойчивость его параметров.
Измерение давления в области установки двигателя в полете автоматической лаборатории «Янтарь» с помощью ионизационных манометров. Измерение внешнего давления в зоне установки двигателя автоматической ионосферной лаборатории «Янтарь» осуществлялось с помощью двух ионизационных манометров (/ и 2, ем. фиг. 2), которые устанавливались в торцовой части лаборатории вблизи плазменноионного двигателя. Измерение начиналось после, срабатывания автоматического разбивающего устройства и вскрытия в полете колб манометров (фиг. 6).
& я
Фиг. 7
На фиг. 7 приведена схема включения ионизационного манометра/в телеметрическую систему 2.
Использованные ионизационные манометры совместно с усилительной аппаратурой позволяют производить измерения давления в диапазоне от 10-4 до 10-8 мм рт. ст. В связи с тем, что на работу ллазменно-ионного двигателя уменьшение давления от 10~5 — 10-8 мм рт. ст. и ниже не оказывает существенного влияния, нижнее значение диапазона измерения давления было ограничено величиной 10-® мм рт. ст.
р На фиг. 8 приведено давление в области плазменно-ионного двига-%е*Ля на этапе спуска автоматической ионосферной лаборатории «Январь». Там же для сравнения даны величины давлений на этих высотах по метеорологическим измерениям. Некоторые колебания давления в области установки плазменно-ионного двигателя на автоматической лаборатории «Янтарь», по-видимому, связаны с прецессией аппарата в полете.
Результаты полета автоматической ионосферной лаборатории «Янтарь» с плазменно-ионным двигателем на азоте.
В соответствии с программой полета, задаваемой блоком управления 5 (см. фиг. 2), плазменно-ионный двигатель был предварительно включен на высоте примерно 160 км без подачи высокого (ускоряющего) Напряжения и для предварительного прогрева и обезгаживания. Пблное включение плазменно-ионного двигателя на азоте с ускоряющим напряжением «^2100^-2200 в было произведено по программе на высоте 250 км. Была зафиксирована устойчивая работа двигателя до входа в плотные слои атмосферы до высот примерно 110 км. Максимальная высота в этом полете составляла 325 км.
Плазменно-ионный двигатель на азоте в полете работал с ускоряющим напряжением ионной струи 2100 — 2200 в, чем была обеспечена скорость реактивной ионной струи ая^120 км/сек. В таблице-приведены некоторые результаты летных исследований лабораторий «Янтарь» с плазменно-ионными двигателями, работавшими на аргоне-и на азоте.
Параметры Двигатель на аргоне Двигатель на азоте
и [в] -300 2100—2200.
т. [ км 1 ~ 40 120
[ сек ]
Термоэмис-
сионный
нейтрализатор
15 10
<Р01 [в] 50—70 100—200
Плазменный
нейтрализатор
й 2-3
902 [в] — 5 — 10
Средние значения величин напряженности Е4 электрического поля: и потенциалов фМ аппаратов при работе термоэмиссионных нейтрализаторов по порядку величин близки. Работа с плазменным нейтрализатором приводит к существенному снижению напряженности Е2 поля до уровня 2—3 в/см и достижению малой величины потенциала фог: корпуса, не превышающей 10 в. Измеренное распределение токов в. двигательной системе показывает, что соотношение между ионным током, компенсируемым электронами с нейтрализаторов, и суммарным^ ионным током составляет 97%; 3% составляют токи утечки на ускоряющий электрод и корпус лаборатории.
Следовательно, в условиях полета в ионосфере лаборатории «Янтарь» с плазменно-ионным двигателем на азоте осуществлялась эффективная нейтрализация ионной реактивной струи как в смысле компенсации ионного тока электронным током с нейтрализаторов, так и компенсации положительного пространственного заряда ионов электронами. При достигнутой в полете величине потенциала летательного-аппарата относительно границы ионосферной плазмы (при работе плазменного нейтрализатора) в пределах до 10 в на процесс нейтрализации расходуется менее 0,5% энергии реактивной струи.
Проведенные испытания автоматических ионосферных лабораторий «Янтарь» показали работоспособность газовых ЭРД в ионосфере
при значительных мзменениях внешнего давления на высотах 100— .400 км. Достигнута эффективная нейтрализация азотной ионной реактивной струи при скорости истечения реактивной струи до 120 км/сек.
* *
■ * ...
ЛИТЕРАТУРА
1. Гродзовский Г. Л., Дюкалов А. Н., Кравцев Н; Ф.,
Маров М. Я., Никитин В, Е., Петунии А. Н., Симонов Л. А.,
Уткин В. В. О научных результатах полета автоматической ионосферной лаборатории «Янтарь-1». Ргос. XIX Congress IAF, New York, October, 1968. Г
2. Гродзовский Г. .Л.,,Дюдадов. А. Н., Кравцев Н. Ф.,
Маров М.-Я., Н икй т и » В. В., Петунии А,- Н., 'С й м 6 н о в Л. А., Уткин В. В. Научные результаты полета автоматической ионосферной лаборатории «Янтарь-1». «Космические исследования», т. VI, вып. 6, 1968. • ■ '
3. Гродзовский Г. Л., Иванов Ю. Н., Токарев В. В. Механика космического полета с малой тягой. М., «Наука», 1966.
f
Рукопись поступила 3/XI 1969 г.
