CC BY
17
УДК 629.78:628.9.041:535.3
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО МИКРОДВИГАТЕЛЯ
В. И. Горбунков, В. В. Косицын, В. И. Рубан, В. В. Шалай
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-32-36
Аннотация - Применяются методы кинетической теории газов для оценки параметров плазмы дугового разряда электротермического микродвигателя корректирующих двигательных установок. Известное утверждение об адиабатическом характере процесса сжатия за счет роста температуры газа находит подтверждение в изменении его спектрального состава и эффекте Доплера. Вхождение вольфрама в состав деталей конструкции сопла микродвигателя объясняет появление атомов этого элемента в объеме плазмы, позволяет косвенно судить о температуре дугового разряда, его характере, а по поглощению длинноволнового крыла контура линии при к = 465,987 нм обосновать заключение о расходовании материала катода в процессе эксплуатации электродугового микродвигателя. Доплеровский сдвиг линий излучения аргона позволяет оценить скорость истечения струи газа. Результаты исследования могут быть использованы при конструировании летательных аппаратов.
Ключевые слова: электродуговой микродвигатель, разряд аргона, разряд вольфрама, эффект Допплера.
1.Введение
Особенностями корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов (КДУ МКА) [1] является замкнутый объем небольшого размера, занимаемый плазмой, обтекаемой газом. Межэлектродное расстояние сравнимо с диаметром полости и не превышает нескольких миллиметров. В дуговой камере, стенки которой нагреты до определенной температуры, частицы вещества испускают и поглощают фотоны, в большей или меньшей степени, может устанавливаться равновесие между частицами вещества и излучением [2]. Законы равновесного излучения играют в кинетической теории газов важную роль и близость к ним определяют точность оценок параметров плазмы двигательных установок.
Например, на основании Ленгмюровских зондовых измерений, выполненных в [3], в факеле реактора реактивного 1...2-киловаттного двигателя при давлении аргона Рд = 6 атм. было замечено, что электронная температура оказались на 1-2 эВ выше, чем температура нейтрального газа в факеле. Плотность электронов находилась в диапазоне 1010-1013cm-3, что также намного выше равновесия Саха для температуры (Тд^ 1000К) и концентрации газа (nAr ~ 1017cm-3), но значительно ниже равновесной для электронной температуры, что не позволяло достичь согласия между моделью теплового равновесия и экспериментом. Это позволило авторам [3] прийти к заключению, что температура Te= 1.2 эВ наиболее полно отражает электронную температуру в дуге.
В работе [4] проведено моделирование электротермической 240-ваттной дуговой двигательной установки в приближении квазинейтральной плазмы. Рассмотрена трехкомпонентная при P =2,5 атм плазма из атомов аргона, их ионов и электронов. Отмечена близость значений электронной температуры Te = 16 000К максимальным осевым газовым температурам TAr,= 11 500 К вблизи суживающей части сопла, а также их раздельного снижения до 5000 К и 3300К при выходе из двигателя. Наблюдаемое в пределах 30% расхождения тепловое равновесное состояние между осевой электронной и газовой температурой существенно нарушается в расширяющейся части сопла из-за падения электронной плотности в радиальном направлении. Высокий уровень электронной температуры повышает уровень ионизации и электропроводности при охлаждении газового слоя вблизи стенок камеры электродугового двигателя, что позволило считать плазму квазинейтральной, а поверхности электродов принять адиабатическими для Те.
Вместе с тем известно [5], что при нагревании газа без теплообмена с окружающими телами наблюдается адиабатическое сжатие за счет роста температуры газа и, согласно эффекта Допплера, должен меняться его спектральный состав. Модель [6] позволяет увидеть, каким образом меняется спектр излучения плазмы электротермического микродвигателя при переходе через сопло. Воспользуемся экспериментальной установкой [6] для анализа параметров многокомпонентной плазмы электротермического микродвигателя с учетом материала анода, так как в установлении равновесия между веществом и излучением не важно, при столкновении с какими частицами происходит возбуждение атомов.
II. Описание экспериментальной установки Исследовалась модель дугового электротермического микродвигателя (ДЭТМД) (рис. 1). Разрядная полость представляет собой кварцевую трубку толщиной 1.3 мм, диаметром 6.4 мм, геометрически расположенную внутри цилиндрического корпуса микродвигателя [6].
2
Рис. 1. Модель дугового электротермического микродвигателя [6] и его фрагмент: 1 - сопло, 2 - анод, 3 - завихритель потока газа, 4 - трубка из кварцевого стекла, 5 - катод; на рисунке слева хорошо видна в стенке микродвигателя апертура размером 5*50 мм для оптических регистраций
Межэлектродное расстояние между катодом 5 и кромкой кольцевого анода 2 составляет 3^5 мм. Материал электродов - вольфрам. Буферный газ аргон подается в полость через завихритель под давлением (1,03-1,08)*101,3*103 Па.
Питание осуществлялось стандартным блоком питания «Tetrix 230». Ток разряда измерялся шунтом сопротивлением 1 Ом, а напряжение на разряде с помощью омического делителя 11.9/43.8 кОм с помощью осциллографа «RIGOLDS 2202».Конструкция блока питания разряда не предусматривала изменения напряжения, поэтому оценка параметров разряда была проведена при токе IR = 3.8^4.2 А и соответствующем падении напряжения UR= 16,8^19,0 В.
Регистрация рабочей температуры стенки кварцевой трубки (420^450 К) и внешней стенки сопла (9001100 К) проводилась хромель-алюмелиевыми термопарами.
Спектральные измерения проводились с помощью пятиканального модульного калиброванного радиометрического комплекса «Ava-Spec-ULS204L- 5-RM», спектральный диапазон которого составлял 235 -^815 нм, оптическое разрешение в диапазоне 296-400 нм составляло 0,07 нм, в диапазоне 605-815 нм не менее 0.15 нм. Для одновременного задействования пяти каналов использовалась фокусируемая коллимационная линза 25 мм с адаптером SMA. Динамический диапазон изменения интенсивностей спектральных линий достигал 60 000. Экспозиция могла меняться от 50 мс до 1 мин. Это обеспечивало возможность регистрации спектра в линейном режиме изменения интенсивностей исследуемых спектральных линий.
Исследовался спектр излучения разряда через стенку кварцевой трубки под углом 90° к оси микродвигателя; излучение выводилось на спектрограф из апертуры, позволяющей наблюдать свечение полного разряда в поперечном направлении относительно корпуса двигателя. Для анализа были получены также спектры осевого излучения сопла модели микродвигателя.
При измерениях расстояние между апертурой и коллимационной линзой составляло 110 мм, при измерениях продольного излучения сопла, расстояние до сопла равнялось 420 мм. Оптические измерения проводились после выхода модели электротермического двигателя в стационарный режим работы.
Температура помещения лаборатории составляла 20°С.
III. Результаты экспериментов
При рабочих параметрах блока питания были проведены измерения и расчет плотности тока разряда при известном диаметре положительного столба разряда d = 0.5^1.0 мм. (Высокая плотность свечения разряда не позволила визуально определить диаметр с высокой точностью.) Найденная плотность тока j = (121-538,5)А/см2 дает возможность оценить величину электронной концентрации в дуговом разряде.
Необходимая дрейфовая скорость электронов Vd может быть получена из соображения, что электроны в газовом промежутке Le = 0.3...0.5см движутся в атмосфере аргона, концентрация которого определяется выражением NA = P^/kT = 2.45*1019см-3. Известно, что подвижность электронов зависит от напряженности электрического поля, а в ряде случаев ведет к специфической неустойчивости газоразрядной плазмы. Принимая во вни-
мание зависимость дрейфовой скорости электронов в аргоне от приведенной напряженности электрического поля [7]Б/МДг = 0.18-0.3Тд в приближении малой плотности электронов, искомое значение Уа = (3.6)х105 см с-1. Плотность тока дугового разряда } = епУ = (121.538.5) А/см2 позволяет оценить электронную концентрацию пе= (1.2...5.6)х1015 см-3 . Поток электронов под действием внешнего электрического поля возбуждает плазму газового разряда. Поток заряженных частиц нагревает электроды до весьма высокой температуры и, судя по эрозии катода, достигает температуры плавления вольфрама ~ 3700 К, что позволяет оценить концентрацию атомов вольфрама по давлению насыщенных паров [8].
Концентрация паров вольфрама, соответствующая давлению паров р„ = 5*10-2мм.рт. ст. (6.67 Па) при Т„ = 3655 К, составляет 1.32*1014 см-3.
На рис. 2 представлен спектр излучения плазмы дугового разряда модели ДЭТМД.
Рис. 2. Спектр излучения разряда, наблюдаемый через сопло
На рис. 2 отчетливо виден ряд спектральных линий в видимом диапазоне (462.547) нм, которые принадлежат атомам вольфрама (табл. 1).
Все заметные спектральные линии на рис.3 относятся к линиям аргона (табл. 2).
а)
б)
Рис. 3. Участок спектра (667 .930) нм (а) - снятый через сопло и (Ь) - через апертуру.
Из сравнения рис. 3а-Ь видно, что интенсивность линий излучения из сопла в области 650.850 нм, по сравнению с излучением через апертуру, уменьшилась почти на порядок за счет увеличения расстояния до регистратора.
ТАБЛИЦА 1 СПЕКТР АТОМОВ ВОЛЬФРАМА
(в скобках приведена относительная интенсивность линии)
№ Хтаб, нм [10] Хь нм (апертура) X 2 , нм (сопло)
1 462.055 (20) 462.0 (818) 462.0 (123)
2 464.256 (30) 464.2 (869) 464.2 (531)
3 465.987 (200) 465.2 (2817) 465.2 (3221)
4 487.828 (30) 487.8 (1041) 487.8 (550)
5 489.244 (25) 489.2 (1236)
6 500.616 (40) 500.7 (259)
7 513.0 512.6
8 546.9 546.0
ТАБЛИЦА2 СПЕКТР АТОМОВ АРГОНА спектр1 - отснят через апертуру, спектр2 - через сопло
№ Хтаб[9] X сп1 апертура X сп2 сопло Переход по Пашену [11] S переход [11]
1 696.543 696.4 696.4 Ъ^Р 2Р2^155 4р'2[1/2]!^^2[3/2]2
2 706.722 706.7 706.7 4р'2[3/2]2^^2[3/2]2
3 714.704 714.6 ^1^2 2р4^135 4р'2[3/2]!^^2[3/2Ь
4 727.294 727.2 1Р1^3Р1 2р2^134 4р'2[1/2]!^^2[3/2]!
5 738.398 738.4 738.4 3Р2^3Р: 2рэ^4 4р'2[3/2]2^4Б2[3/2]1
6 750.387 750.3 750.3 2Р1^2 4р'2[1/2]0^'2[1/2]!
7 751.465 751.3 751.3 ^0^1 2рз^4 4р2[1/2]0^2[3/2Ь
8 763,511 763.5 763.5 3Б2^3Р2 2р6^5 4р2[3/2Ь^^2[3/2Ь
9 772,376 772.3 772.3 3Б1^3Р2 2р7^5 4р2[3/2]!^^2[3/2Ь
10 794.815 794.8 794.6 3Р1^3Р0 2р4^э 4р'2[3/2Ь^'2[1/2]0
11 800,616 800.6 800.4 3Б2^3Р1 2р6^4 4р2[3/2]2^4Б2[3/2]1
12 801,479 801.3 801.3 3Б2^3Р2 2р8^5 4р2[5/2Ь^^2[3/2Ь
13 810.369 810.3 810.2 3Б1^3Р1 2р7^^4 4р2[3/2]!^^2[3/2]!
14 811.531 811.4 811.4 3Бэ^3Р2 2р9^5 4р2[5/2]э^2[3/2Ь
15 826.452 826.4 826.4 3Р1^1Р1 2р^1% 4р'2[1/2]1^4Б'2[1/2]1
16 840.821 840.7 840.7 3Р2^1Р1 2рэ^2 4р'2[3/2]2^^'2[1/2]!
17 842,465 842.4 842.4 3Б2^3Р1 2р8^4 4р2[5/2Ь^^2[3/2]!
18 852.144 851.9 851.9 3Р1^1Р1 2р4^132 4р'2[3/2]!^^'2[1/2]!
IV. Обсуждение результатов
В дуговом разряде рассматриваемой модели ДЭТМД давление насыщенных паров вольфрама на четыре порядка меньше давления аргона. Поэтому аргон оказывает определяющее влияние на дрейфовую скорость электронов Vd и на теплопроводность плазмы, а роль вольфрама с малым потенциалом ионизации (Б№ =7.98 эВ) сводится к формированию концентрации ц и температуры Те электронов.
Согласно приведенным расчетам, плазма разряда электротермического микродвигателя представляет собой многокомпонентную аргоно-вольфрамовую плазму, имеющую несколько локальных температур.
Концентрация аргона много больше концентрации паров вольфрама и электронной концентрации, поэтому ширина контура излучения могла бы определяться, в основном, упругими столкновениями атомов аргона между собой и с электронами. Однако проведенные расчеты электронной температуры на основании ударного уширения контуров излучения атомов аргона в диапазоне 696.. .852 нм не позволяют однозначно утверждать об ударном возбуждении атомов тяжелых частиц рассматриваемой плазмы.
Линии излучения вольфрама обеспечивают белое свечение разряда, наблюдаемое через апертуру. Появление атомов вольфрама в объеме плазмы, с одной стороны, не является неожиданным, так как вольфрам входит в состав деталей конструкции, но, с другой стороны, является сигналом о происходящей эрозии конструктивных элементов [12].
В то же время наблюдается сильное поглощение длинноволнового крыла контура интенсивной линии вольфрама при X = 465.987 нм. Если этот эффект определяется самопоглощением, то по параметрам «хвоста» этой
линии (при X = 465.2 нм), регистрируемого через сопло двигателя, можно оценить расход вольфрама. Вероятно, отсутствие в спектре сопла линий вольфрама при X = 489.2 нм, 513.0 нм и 546.9 нм также можно объяснить самопоглощением.
Было замечено, что спектр аргона, прошедшего через апертуру, утратил несколько линий: X = 714.704 нм, 727.294 нм, 866.794 нм, 912.296 нм, 922.450 нм. Этому явлению было дано объяснение в [11] большой скоростью тушения возбужденных состояний аргона молекулами азота из окружающей сопло воздушной среды.
При сравнении длин волн линий аргона X = 794.815 нм, 800.616 нм и 810.369 нм (табл. 2) по излучению из сопла относительно излучения из разрядной камеры видно, что линии имеют доплеровский сдвиг длин волн.
Подтверждение этому сдвигу находим в том, что скорости атомов аргона в камере направлены более хаотично, чем в струе газа, направленной из сопла, преимущественно с осевой скоростью.
Y. Выводы и заключение
Плазма разряда модели электродугового микродвигателя представляет собой многокомпонентную аргоно -вольфрамовую плазму, имеющую несколько локальных температур.
Спектр свечения разряда, наблюдаемый через апертуру разрядной камеры, является следствием возбуждения атомов вольфрама и аргона. В спектре, наблюдаемом через сопло разрядной камеры, обнаружено сильное поглощение длинноволнового крыла контура интенсивной линии вольфрама при X = 465.987 нм. Регистрация частичного самопоглощения этой линии вольфрама, наблюдаемой через сопло двигателя, позволяет оценить величину происходящей эрозии конструктивных элементов плазменного устройства.
При рассматриваемом режиме возбуждения модели ДЭTMД в разряде между спектральными линиями атомов аргона при X = 794.815 нм, 800.616 нм и 810.369 нм зарегистрировано смещение при прохождении излучения через сопло разрядной камеры. Отмеченный сдвиг, согласно эффекту Доплера, может быть использован для нахождения скорости истечения струи газа.
Для более полного представления механизмов возбуждения разряда ДЭTMД необходимо проведение дополнительных исследований.
Источник финансирования
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 15-0S-00726.
Список литературы
1. Mazouffre S. Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches // Plasma Sources Sci. Technol. 25 (201б) P. 1-27.
2. Ельяшевич M. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. M.: Гос. изд-во физ.-мат. Лит, 1962. S92 с.
3. Brinkman E. A. Electron densities and temperatures // J. Appl.Phis. S1 (3). February 1997. P. 1093-109S.
4. Bijie Yang, Quanhua Sun. Numerical Analysis of the Plasma Flow in an Arcjet Thruster // AIP Conference Proceedings. 2014. Yol. 162s. P. 1132-113S.
5. Ландау Л. Д., Лившиц Е. M. Теоретическая физика: учеб. пособие. Т. YI. Гидродинамика. M.: Наука, 19SS. 73б с.
6. Blinov Yiktor N., Ruban Yiktor I., Shalay Yiktor Y., Lykyanchik Anton I., Yavilov Igor S., Yachmenev Pavel S., Kositsin Yalerry Y., Mironov Iuri M. Design features and experimental researches of an arcjet thruster for small satellite // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). 201б. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818983.
7. Смирнов Б. M. Mоделировaние газоразрядной плазмы II Успехи физических наук. Т. 179, № 6. 2009. С. 591-б04.
8. Розбери Ф. Справочник по вакуумной технике и технологии I Пер. с англ. M.: Энергия, 1972. 456 с.
9. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. M.-Л.: ГИФ-ИЛ, 1963. 262 с.
10. Таблицы спектральных линий: справочник. M.: Наука, Главная редакция физ.-мат. лит-ры, 1977. 800 с.
11. Cullen P. J., Milosavljevic Y. Spectroscopic characterization of a radio-frequency argon plasma jet discharge in ambient air // Prog. Theor. Exp. Phys. 2015. Yol. б. 063J01. 17 p.
12. Смирнов Ю. M. Сечения возбуждения атома вольфрама электронным ударом II Теплофизика высоких температур. 2009. Т. 47, № 1. С. 17-25.
