РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОЛЫМ МАГНИТНЫМ АНОДОМ МАЛОЙ МОЩНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 74 www.mai.ru/science/trudy/_

УДК 629.7.036.74

Разработка и исследование стационарного плазменного двигателя с полым магнитным анодом малой мощности

Потапенко М.Ю.

Опытно-конструкторское бюро «Факел», ОКБ «Факел», Московский проспект, 181, Калининград, 236041, Россия

e-mail: info@fakel-russia. com

Аннотация

Представлены результаты разработки перспективной конструктивной схемы стационарного плазменного двигателя с полым магнитным анодом малой мощности для малых космических аппаратов (МКА), обладающего повышенными тяговыми параметрами и характеристиками. Исследованы параметры и характеристики двигателя новой схемы ПлаС-40 малой мощности до 650 Вт в различных режимах работы с напряжением разряда от 100 до 500 В. Определено влияние параметров конструкции и рабочего режима на стабильность работы и характеристики стационарного плазменного двигателя с полым магнитным анодом. Ключевые слова: электроракетный двигатель (ЭРД), малый космический аппарат (МКА), стационарный плазменный двигатель с полым магнитным анодом.

Введение

В настоящее время для решения ряда специализированных практических задач в космосе применяются малые космические аппараты (МКА) с массой до 500 кг. МКА привлекательны, в первую очередь, снижением финансовых затрат и трудоемкости их изготовления, снижением рисков в случае неудачного запуска, а

также возможностью использования для выведения МКА на орбиту ракет-носителей легкого класса. Наиболее часто на таких МКА используются электроракетные двигательные установки (ЭРДУ) на основе стационарных плазменных двигателей (СПД). Наряду с СПД классической схемы появляется все больше плазменных двигателей с новыми конструктивными схемами, как, например, двигатели «BHT» компании Busek (США) и «КМ» ГНЦ «ФГУП им. М.В. Келдыша», продемонстрировавшие возможность повышения уровня тяговых параметров [1].

Цель работы - разработка перспективной конструктивной схемы и создание «холловского» двигателя малой мощности, обладающего повышенными удельными параметрами и характеристиками; исследование влияния параметров конструкции и рабочего режима на эффективность его работы.

Одной из перспективных в этом направлении является схема стационарного плазменного двигателя с полым анодом, экспериментальный образец которого БРТ-1 был разработан в ОКБ «Факел» и испытан в России и США [2].

Разработка перспективного высокоэффективного плазменного двигателя малой мощности может быть основана на основе испытанной в БРТ-1 конструктивной схеме путем ее массово-энергетической оптимизации.

1. Оптимизация конструкции плазменного двигателя с полым анодом

Эффективность работы стационарного плазменного двигателя зависит от эффективности функционирования его магнитной системы (МС), а также от организации эффективного процесса ионообразования в разрядной камере (РК) двигателя.

1.1 Результаты оптимизации магнитной системы

Для двигателей малого типоразмера необходимо обеспечить магнитные поля оптимальной конфигурации свыше 25 - 35 мТл в ускорительном канале (УК). С точки зрения длительного ресурса предпочтительным является предельное сужение зоны ионизации и ускорения (ЗИУ), определяемой протяженностью области максимальных значений радиальной составляющей магнитной индукции посередине УК и вынос ее вперед по потоку газа за срез РК и магнитные полюса МС двигателя. При усилении рабочих магнитных полей возрастают и потери, обусловленные полями рассеяния, которые необходимо минимизировать. Существенное влияние на эффективность работы СПД оказывает не только уровень, но и конфигурация магнитного поля и его азимутальная однородность распределения в ускорительном канале.

Главной целью оптимизации МС является повышение эффективности ее работы при обеспечении азимутальной равномерности генерируемого магнитного поля в межполюсном промежутке и предельной минимизации магнитного поля перед анодом, а также ослабления полей рассеяния. Таким образом, задача повышения эффективности МС СПД состоит в оптимизации её конфигурации, выборе размеров и взаимного расположения элементов МС.

Основными объектами оптимизации являлись наружный магнитный полюс, сердечник наружных источников намагничивания и новый элемент МС - магнитный анод, заменяющий классические магнитные экраны СПД. Анализ эффективности

элементов МС проводился с помощью двумерного расчета магнитного поля в ППП NISA Display.

В результате анализа различных конфигураций МС, представленных в работе [3], определено, что для равномерного распределения магнитного поля в УК рабочую часть наружного магнитного полюса необходимо выполнить круглой формы при одновременном обеспечении постоянного поперечного сечение по азимуту.

Для снижения полей рассеяния в периферийной области при одновременном повышении общего уровня радиальной составляющей магнитной индукции в канале Br и скорости ее нарастания в направлении к срезу УК VZBr требуется исключить выступающие за пределы сердечников наружных катушек намагничивания участки магнитного контура. Это также позволит обеспечивать равномерное распределение по азимуту границы инверсии магнитного поля и приблизить ее расположение к межполюсному промежутку.

Введение нового магнитного элемента - магнитного анода, по форме подобного основному магнитному контуру, но меньшего размера, позволяет сформировать в УК магнитное поле оптимальной конфигурации при одновременном повышении общего уровня индукции в канале и минимизации его в области подачи газа.

Обобщённый анализ различных элементов МС показал, что наиболее оптимальной конфигурацией будет обладать магнитная система, в которой предельно минимизированы влияния разнообразных негативных факторов, вследствие чего эффективность ее работы будет выше, а энергетические потери меньше. Вариант такой оптимизированной МС двигателя с магнитным анодом, а также вариант МС классического СПД с серединным диаметром УК 40 мм представлены на рисунке 1.

а) б)

Рисунок 1 - Конфигурация силовых линий магнитного поля а) СПД с магнитными экранами (СПД-50); б) двигателя с магнитным анодом (ПлаС-40)

Приведенные выше рекомендации по совершенствованию конструкции МС

позволяют повысить уровень тяговых параметров двигателя на 5-10 %, что подтверждено результатами испытаний данных моделей на стенде ОКБ «Факел» при одних и тех же условиях (рисунок 2, таблица 1).

а) б)

Рисунок 2 - Внешний вид двигателей а) СПД-50 и б) ПлаС-40

Таблица 1

Параметры двигателей малой мощности СПД-50 и ПлаС-40

1р, А ир, В ~1р> А ~Цр, В Т А Тподм, А ию В Вг,тах, мТл ^ мН Туд, с КПД, %

ПлаС-40 1,31 160 0,06 3,0 1,31 0 6,6 17,0 16,0 940 35

1,32 200 0,04 2,6 1,32 0 7,0 22,1 1290 53

СПД-50 1,38 160 0,12 3,0 1,38 0,93 4,4 21,5 13,6 867 28

1,41 200 0,09 2,3 1,41 0,8 3,4 18,7 1100 36

Из результатов испытаний видно, что при токе в катушках намагничивания 1к=1,31 А тяговые параметры двигателя ПлаС-40 значительно выше выходных

параметров его аналога. При испытаниях СПД-50 ток в катушках намагничивания составлял /к=1,38 А при дополнительном токе подмагничивания 1подм=0,93 А, следовательно, суммарный ток в катушках равен =2,31 А, что почти в 2 раза больше, чем при испытаниях двигателя ПлаС-40.

Таким образом, двигатель с магнитным анодом ПлаС-40 обеспечивает более высокие выходные параметры при меньших энергетических затратах. Высокие тяговые параметры достигаются даже при меньших магнитных полях в УК. Следовательно, можно сделать вывод о снижении потерь в магнитном контуре, а также о повышении эффективности работы МС на -8-10%.

1.2 Результаты оптимизации конфигурации разрядной камеры

Уровень достигаемых тяговых и ресурсных характеристик СПД в значительной степени зависит от эффективности процессов ионообразования и ускорения в РК. Эффективность работы двигателя определяется эффективностью использования рабочего тела (РТ), для повышения которой необходима оптимизация организации процессов ионизации и ускорения путем реализации новой конструкции РК. Степень ионизации РТ является одним из основных факторов, определяющих значения КПД и удельного импульса тяги. Это влияние наиболее существенно для изменения удельного импульса при фиксированных значениях напряжения разряда и расходе РТ. Для обеспечения полной ионизации газа в РК двигателя новой схемы необходимо, во-первых, обеспечить более рациональное расположение анода относительно ЗИУ плазмы, во-вторых, решить задачу по организации наиболее эффективного газораспределения в РК. При этом необходимо стремиться к

обеспечению высокой азимутальной однородности газораспределения в РК не только по азимуту УК, но и по всему объему анодной полости. Кроме того, оптимизация формы выходной части изолятора РК также позволит повысить уровень тяговых параметров двигателя и обеспечить их стабильность при работе.

Основными характерными размерами РК является протяженность и ширина ускорительного канала двигателя. Результаты исследования влияния протяженности и формы выходной части УК на параметры двигателя с полым анодом SPT-1 показали, что протяженность канала в зоне ускорения оказывает существенное влияние на удельный импульс тяги двигателя [4]. Укорочение длины стенок РК двигателя SPT-1, изготовленных из керамики, в зоне ускорения на 2,5 мм привело к необходимости увеличения напряжения разряда на ~30% с целью обеспечения одинакового удельного импульса тяги. Однако установлено, что данное снижение параметров компенсируется при переходе к резко расширяющейся геометрии ускорительного канала при неизменных затратах мощности разряда. Следовательно, наиболее оптимальной формой УК является профилирование стенок РК таким образом, чтобы ширина на входе в зону ионизации была меньшей для обеспечения высокого удельного расхода в канале. При этом для достижения высоких значений тяги в зоне ускорения формируется резко расширяющаяся геометрия УК за счет ступенчатого уширения, переходящего с цилиндрического участка в конусообразный участок со стороны выхода УК [5].

Данный результат был

магнитным

1500 п

и 1400 :

о :

л е 1300 -

^ -

В

Я 1200 -

:= Л 1100 :

Я ;

ч 1000 -

л

900 :

800 :

| — - — _ _

" -1 *— ^ ж -

I

/

/* у/

1 г Л

8 мм ■ 8/11 мм а 8 мм • 8/11 мм

23

20,

- 17

14

100

150 200 250 300

Напряжение разряда, В

350

импульса от напряжения разряда при различной ширине УК ПлаС-40

анодом малой

мощности ПлаС-40. Как

демонстрирует рисунок 3, при

использовании резко „ ~ ^

Рисунок 3 - Зависимость тяги и удельного

расширяющейся геометрии УК тяговые параметры двигателя ПлаС-40 повышаются на 5-8 % при неизменных энергетических затратах.

Повышение эффективности распределения газа в РК может быть достигнуто за счет управления концентрацией газа в ее пристеночных участках путем перехода к новой ее геометрии и осуществления дополнительного впрыска части РТ непосредственно в пристеночных областях.

В работе [6] впервые показано влияние способа подачи рабочего газа в РК на удельные параметры и характеристики двигателя с полым магнитным анодом. Проведены результаты исследования влияния равномерности распределения газа по азимуту и по глубине анодной полости на эффективность процессов ионизации и ускорения; определено наиболее оптимальное место впрыска газа в РК.

Исследования проводились на специальном многополостном полом

аноде-газораспределителе с несколькими независимыми трактами подачи газа в

различные области УК (рисунок 4). В результате установлено (рисунок 5), что наиболее эффективно двигатель работал при комбинированной одновременной

прямоточной подаче рабочего тела через центральный канал и радиальной подаче через наружную секцию полого анода (Ц+Н).

В

140 и

120 -

X 100 -

Е

вТ 80 -

и

№

н 60 -

40 -

20 -

Ц Ц+Н Н

Рисунок 4 - Внешний вид

многополостного анода-газораспределителя

случае обеспечивается

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Напряжение разряда, Б

а)

этом

равномерность распределения подачи газа не только в азимутальном направлении, но и за счет дополнительного распределения газа по глубине канала, т. е. по всему рабочему объему прианодной полости.

и

65 60 55 50 45 40 35 30

н

Ц ■ Ц+Н Н

3100

ц- 2700

л

Еу 2300 С

а 1900

«

Я 1500

л

ч

Д 1100

>>

700

♦ Ц Ц+Н А Н

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Напряжение разряда, Б

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Напряжение разряда, Б

б) в)

Рисунок 5 - Зависимость а) тяги, б) КПД и в) удельного импульса двигателя 8РТ-1 от напряжения разряда при различных схемах подачи РТ (Ц - классическая подача газа из глубины камеры, Ц+Н - комбинированная подача из глубины камеры и наружной секции полого анода, Н - подача газа из

наружной секции анода) Учитывая полученный результат, а также малые размеры анодной полости в

полом аноде двигателя ПлаС-40 были применены радиальные каналы впрыска,

М 0,9 0,8 0,7 0,6

♦ Ga=1,28 мг/с ■ Ga=1,78 мг/с а Ga=2,25 мг/с

100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 Напряжение разряда, В

расположенные на наружной стенке анода вблизи входа в ЗИУ. Проведенные испытания двигателя подтвердили высокую эффективность его работы при применении только радиальных наружных каналов впрыска [6]. Результаты анализа эффективности 1

1

работы двигателя по коэффициенту 1 использования РТ, полученные при различных режимах по току разряда,

представлены в виде зависимостей от

Рисунок 6 - Зависимость

напряжения разряда на рисунке 6. Сравнение коэффициента ионизации от

напряжения разряда двигателя

значений ионного тока I и расхода РТ , ПлаС-40

выраженного в токовых единицах, показывает, что коэффициент использования РТ К = 1/1^ близок к 1, что говорит об ээффективной ионизации газа в РК двигателя.

1.3 Разработка газоэлектрического узла с увеличенной электрической прочностью

Одной из важных задач при разработке двигателя является обеспечение электрической прочности элементов его конструкции. Наиболее частым является электрический пробой по газу в тракте подачи РТ в анод и катод.

Наиболее критичным элементом конструкции в части обеспечения электрической прочности является газоэлектрический узел. Такой узел применяется в магистралях подачи РТ и электрически разобщает участки магистралей, идущих от внешних источников хранения и подачи РТ. Применяемые газоэлектрические узлы имеют относительно большие размеры и поэтому их размещение в двигателях малого

типоразмера затруднительно [7]. В связи с этим возникает задача разработки нового газоэлектрического узла, способного обеспечить электрическую прочность трактов подачи РТ в процессе работы при минимальных массе и габаритных размерах.

На возникновение электрического пробоя оказывают влияние основные параметры: давление газа, расстояние между электродами и состав рабочего газа, а также множество других факторов: рабочая температура, электрический потенциал электродов, конфигурация и геометрическая форма электродов, материал изолятора и т.д.

Исследования условий возникновения электрических пробоев в трактах подачи РТ в анодную полость двигателя показали, что закон Пашена ипр=/(рй), по которому напряжение пробоя зависит от произведения давления р и расстояния между электродами й, не достаточно точно описывает процессы возникновения электрического пробоя в трактах подачи газа в разрядную камеру двигателя (рисунок 7). Несовпадение кривой Пашена и экспериментальных данных обусловлено действием неоднородных электрических полей, формой электродов, а также относительно протяженным каналом. Также определено, что уровень напряжения пробоя в газоэлектрических изоляторах в большей степени зависит от рабочей температуры и, согласно результатам экспериментов,

изменяется пропорционально ~рй/Т.

4000

со

^ 3600

я

о ю 3200

о

а. 2800

Е

о 2400

а

X о 2000

N

- 1600

а.

с « 1200

I 800

— теория ♦ Т=20°С « Т=125 °С

♦ Т=175°С • Т=200 °С • Т=250 °С

- Т=300 °С Т=350 °С Т=400 °С

/ ~ Теоретическая кривая

7 V-.- -Л

^^-

Снижение значения напряжения пробоя при повышении

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130 140150 160 170 180

рс1, торр-см

Рисунок 7 - Корреляция экспериментальных зависимостей напряжения пробоя от рй при различных температурах с теоретической зависимостью

температуры обусловлено облегчением ионизации рабочего газа и его электрического пробоя при нагревании (возрастанием кинетической энергии частиц газа).

В работе установлено, что напряжение пробоя при росте температуры в условиях постоянного давления зависит в большей степени от изменения плотности газа. Поэтому, для описания зависимости возникновения пробоя необходимо уточнение закона Пашена, в котором абсолютное давление среды р может быть заменено на плотность газа - ипр= /(р£), где р - плотность газа, зависящая от температуры и давления газа.

На основании проведенных исследований создан новый газоэлектрический узел, обеспечивший высокую электрическую прочность при минимизации его габаритных размеров с исключенным риском возникновения пробоя (рисунок 8) [8]. Созданный узел имеет минимальную массу - 5 г, и размеры: диаметр - 7,3 мм, длина -13 мм. Он обеспечивает высокую электрическую прочность двигателя при работе в высоковольтных режимах до ир=1500 В с более, чем двукратным запасом.

Изолятор

а) б)

Рисунок 8 - а) Газоэлектрический изолятор после изготовления и б) конструктивная схема газоэлектрического изолятора

Такой изолятор был использован в конструкции высоковольтных двигателях

ПлаС-120 [2], СПД-100Д и СПД-140Д.

2. Экспериментальное исследование двигателя ПлаС-40

Испытания двигателя ПлаС-40 проводились при напряжениях разряда от 100 до 500 В в диапазоне расходов ксенона в анод от 1,25 до 2,5 мг/с и в катод 0,18 мг/с в

горизонтальной вакуумной камере при динамическом давлении не более 1,2* 10-4 мм рт. ст. (по воздуху). Внешний вид двигателя при испытаниях представлен на рисунке 9.

О

а) б)

Рисунок 9 - Двигатель ПлаС-40 а) после испытаний и б) во время

проведения испытаний

Вольтамперные характеристики двигателя (рисунок 10) определялись при

фиксированных анодных расходах, обеспечивающих ток разряда от 1,00 до 2,25 А с шагом 0,25 А. На каждом режиме выполнялась оптимизация поля по минимуму тока

разряда. Из графика видно, что ток разряда с повышением напряжения разряда незначительно снижается при напряжении разряда более 250 В, что наиболее вероятно обусловлено снижением эффективности процесса

3,0 J

Л 2,0

К 1,8 р

м -

л . а -

а -

О '

0,0

->-Ip=1 A -"-Ip=1,25 A -*-Ip=1,5 A -*-Ip=1,75 A -»-Ip=2,0 A -«-Ip=2,25 A

4V

Л

V

"lililí lili lili lili lili lili lili lili lili lili lili

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Напряжение разряда, В

Рисунок 10 - Вольтамперные характеристики

ионизации газа.

Зависимость тяги, цены тяги, удельного импульса и КПД двигателя ПлаС-40 представлены на рисунке 11 . При повышении напряжения разряда тяга двигателя стабильно растет близко к линейной зависимости. Максимальное значение тяги зафиксировано при анодном расходе 2,58 мг/с и напряжении разряда 300 В и

составляет 42,5 мН. Минимальная цена тяги составила 12,5 Вт/мН при токе разряда 1,5 А и напряжении разряда 150 В. При максимальном напряжении разряда 500 В и мощности 625 Вт полный удельный импульс тяги, рассчитанный с использованием расхода, учитывающего поправку на давление в вакуумной камере, составил 1730 с. Существенный рост КПД происходит при повышении напряжения разряда до значения 250 В, после чего его значение стабилизируется около ~35% для расхода 1,32 мг/с и ~47% для расхода 2,58 мг/с. Стабилизация значения КПД при повышении напряжения разряда более 250 В происходит со снижением тока разряда (рисунок 10).

45

40

35

и 30

§ 25

я

- 20

я

н 15

10

5

0

-•- Ip=1 A — Ip=1,25 A-*- Ip=1,5 A*- Ip=1,75 A — Ip=2,0 A— Ip=2,25 A

___

(J 1800

= 1600 :

К

H 1400 -

л

4 1200 -

=

JS 1000 -

=

:= 800 -

Л

= 600 -

Л

400 :

4

200 ;

-•- Ip=1 A -•- Ip-1,25 A-*- Ip-1,5 A -•- Ip-1,75 A -•- Ip-2,0 A— Ip-2,25 A

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 55< Напряжение разряда, В

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Напряжение разряда, В

а)

б)

50 45 40 35

V®

о4- 30

(=Д 25 * 20

15 10 5 0

-*- Ip=1 A — Ip=1,25 A -*- Ip=1,5 A -«- Ip=1,75 A — Ip=2,0 A — Ip=2,25 A

21 20 Щ 19

I 18

H 17 -

И 16 H

x 15

£14 13

12

-•- Ip=1 A — Ip-1,25 A -*- Ip=1,5 A -•- Ip=1,75 A — Ip=2,0 A Ip=2,25 A

У

У

— r

\ / r

Г

Л r

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 55( о 50 xoq 150 200 250 300 350 400 450 500 550

НапРяжение разряда, В Напряжение разряда, В

в) г)

Рисунок 11 - Зависимость а) тяги, б) удельного импульса тяги, в) КПД и г)

цены тяги от напряжения разряда

На рисунке 12 представлены зависимости среднеквадратичных амплитуд

колебаний напряжения разряда и тока разряда от напряжения разряда. Как видно, с повышением напряжения разряда наблюдается резкое снижение колебаний тока

разряда (рисунок 12а)), минимум которых зафиксирован при напряжении разряда Ц=150 В. При том же значении напряжения разряда достигается и минимальная ценя тяги. Колебания напряжения разряда с ростом напряжения изменяются незначительно (рисунок 12б)).

1,8

1,5 1,3 <1 1,0 7 0,8 0,5 0,3 0,0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Напряжение разряда, В Напряжение разряда, В

а) б)

Рисунок 12 - Зависимость среднеквадратичных отклонений а) тока и б) напряжения разряда от напряжения разряда

В результате исследований ПлаС-40 установлено, что двигатель имеет

широкий диапазон устойчивой работы в зависимости от магнитного поля в УК, высокие параметры достигаются при различных сочетаниях токов в катушках намагничивания (рисунок 13). При проверке устойчивости работы двигателя при изменении магнитного поля с оптимизацией по токам намагничивания на режиме при токе разряда /р=1,25 А и напряжении разряда ир=180 В ток в одной группе катушек поддерживался постоянным 1,82 А, тогда как в другой изменялся.

Исследования эффективности работы двигателя при изменении магнитного поля в УК (рисунок 14) при фиксированном расходе РТ показали, что на режимах работы с расходом рабочего тела менее 2 мг/с тяга двигателя возрастает близко к линейной зависимости с увеличением магнитного поля в канале и ростом разрядного напряжения соответственно. Отмечено резкое возрастание уровня тяги двигателя на

1р=1 А * 1р=1,25 А 1р=1,5 А 1р=1,75 А * 1р=2,0 А 1р=2,25 А

— 1р=1 А — 1р=1,25 А * 1р=1,5 А * 1р=1,75 А — 1р=2,0 А — 1р=2,25 А

режиме работы при расходе РТ более 2 мг/с (соответствует 7^=2,0 А), что обусловлено сужением слоя ионизации и ускорения, а также смещением его к срезу РК, что в конечном итоге способствует снижению потерь ионов на стенках канала и улучшению фокусировки плазменной струи.

46 44 42 40 38

# 36 м 34

е 32

И 30 28 26 24 22 20

щ 1 ♦ I *

♦ » * и

■

♦ НК ■ ВК

36 34 32 30 28 М 26

124 £ 22 £ 20 18 16 14 12 10

1р=1,0 А «1р=1,25 А • 1р=1,5 А ■ 1р=2,0 А

0,0 0,3 0,5 0,8 1,0 1,3 1,5 1,8 2,0 2,3 2,5 2,8 3,0 3,3 Ток в катушках, А

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Вг, мТл

Рисунок 13 - Зависимость КПД Рисунок 14 - Зависимость тяги

двигателя от тока в катушках двигателя от индукции

намагничивания магнитного поля в УК

Оценка эффективности использования РТ производилась по соотношению

расхода рабочего тела к току разряда С„/1р (рисунке 15). Для двигателя ПлаС-40 Са/1р > 1, что является наиболее предпочтительным, так как при обеспечении полной ионизации подаваемого газа доля паразитного электронного тока мала. В то же время необходимо иметь в виду, что при неполной переработке атомов в ионы получаются несколько завышенные значения Су/р.

При испытаниях на одном из режимов при Св=1,8 мг/с по измеренному ионному току 7] была определена величина сквозного электронного тока 1е, зависимость которого показана на рисунке 15б). Такая функция, как правило, монотонно спадает и для двигателя ПлаС-40 выходит на насыщение при ир > 400 В. При насыщении соотношение Са/1а составляло 1,36.

На графике также представлено отношение электронного тока к току разряда (ТДД которое, как видно, не превышает 20%, что указывает на достаточно хорошую

организацию рабочего процесса ионизации и ускорения (рисунок 15б)). По результатам испытаний также был определен коэффициент ионизации РТ К который изменяется в диапазоне от 0,70 до 0,86, что свидетельствует о неполной ионизации РТ. Необходимо также отметить, что при данных значениях коэффициента ионизации РТ (низких относительно значений, типичных для СПД) в двигателе ПлаС-40 достигается более высокие значения КПД (рисунок 11 в)).

1,50

1,45

1,40

1 1,35 и

| МО ё-1,25

О 1,20

1,15 1,10

1р=1,0 А — 1р=1,5 А

1,2 1,0

^

щ" 0,8

нн

0,6

0,2 0,0

1е/1р И 1е 1 1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Напряжение разряда, В Напряжение разряда, В

а) б)

Рисунок 15 - Характеристики двигателя ПлаС-40: зависимости а) отношения Са/1р и б) ионного тока, электронного тока и его доли (при

Св=1,8 мг/с) от изменения ир

Двигатель ПлаС-40 также прошел наработку длительностью 100 часов на режиме при напряжении разряда ир=200 В и токе разряда /р=1,25 А. Изменение тяги, цены тяги, удельного импульса и КПД двигателя в процессе длительной работы показано на рисунках 16 и 17. Средняя величина тяги в процессе длительной работы составила 17,1 мН, среднее значение удельного импульса тяги, рассчитанное с использованием расхода, учитывающего поправку на давление в вакуумной камере - 1000 с. Средняя величина полного КПД составила 34,7 %, цена тяги 14,4 Вт/мН. Двигатель Плас-40 за 100 часов выработал суммарный импульс 6,2 КН-с.

£ 0,4

20 п

19

18

17 :

16 :

Л 15 ;

и

К 14

н

13 :

12

11

10

НшЫг

•тЙЙЙ]. щ

20 18 :

5 16 14 3

мв 12

£ 10 з

5 8

са ,1 я 6 -

щ л

В 4

2 :

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

НаРаботка, ч Наработка, ч

а) б)

Рисунок 16 - Параметры двигателя ПлаС-40 при длительной работе: зависимости а) тяги и б) цены тяги

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Нараоотка, ч

а) б)

Рисунок 17 - Параметры двигателя ПлаС-40 при длительной работе: зависимости а) удельного импульса тяги и б) КПД

В процессе наработки отмечено снижение колебаний тока разряда двигателя,

что связано с начальной приработкой двигателя (рисунок 18). Ожидается последующая стабилизация среднеквадратичных отклонений колебаний тока разряда не более 0,35 А. Уровень колебаний напряжения разряда практически не изменился.

0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 н?0,25 ! 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

10 20

Ишпш и-ТТТТТПВ 1п

. Дл г

~ТТ щ ШР ййыь

4,5 4,0 3,5 05 3,0

а 2,5 р

г 2,0

1,5 1,0 0,5 0,0

30 40 50 60 Наработка, ч

70 80 90 100

п # » А. шп ЯНГ

г» ж» ш р н § V

10 20

30

40 50 60

Наработка, ч

70

80 90 100

а) б)

Рисунок 18 - Зависимость среднеквадратичных отклонений а) тока и б) напряжения разряда двигателя ПлаС-40 при длительной работе

0

0

После испытаний были проведены измерения глубины поясков эрозии РК двигателя. Измерения проводились в восьми сечениях. Средняя величина глубины эрозии после 100 ч наработки для наружного кольца, выполненного из керамики БГП-10, составила 2,5 мм, для внутреннего - 3,0 мм (рисунок 19).

а) б)

Рисунок 19 - Внешний вид поясков эрозии РК двигателя ПлаС-40 с мерным эталоном №3 а) наружная и б) внутренняя стенки РК

3. Сравнительный анализ двигателя ПлаС-40 с аналогами

В ОКБ «Факел» разработан двигатель малой мощности СПД-50, который применяется в составе ЭРДУ «Канопус-В» [9]. Сравнительный анализ двигателей ПлаС-40 и СПД-50 показывает, что на одинаковых или близких режимах ПлаС-40 имеет повышенные на 8-10 % выходные параметры. Сравнительные характеристики двигателей малой мощности одного типоразмера, разработанных в ОКБ «Факел», представлены в таблице 2. Значения параметров и характеристик двигателей указаны с учетом мощности разряда и затрат мощности на создание магнитного поля, а также расхода рабочего тела через катод и поправки на уровень давления в вакуумной камере.

Таблица 2

Параметры двигателей малой мощности

' -—Двигатель Параметр ~ " -— СПД-50 ПлаС-40

Напряжение разряда, В 180 180

Ток разряда, А 1,20 1,25

Мощность разряда, Вт 220 225

Тяга, мН 14,0 17,0

Удельный импульс тяги, с 860 1010

КПД, % 26 37

Цена тяги, Вт/мН 16,0 13,8

Масса, кг 1,23 1,20

Наружный диаметр УК, мм 50 49

Габаритные размеры, мм (Объем, см ) 160x120x91 (1,75-103) 167x100 х87 (1,50 1 03)

Кроме того, испытания двигателя ПлаС-40 показали возможность достижения уровня удельных параметров, характерного для двигателей большего типоразмера. Для сравнения в таблице 3 приведен разработанный в ОКБ «Факел» для компании AeroJet двигатель СПД-70, выполненный по классической схеме СПД.

Таблица 3

Параметры двигателей средней мощности

" ——^__Двигатель Параметр - СПД-70 ПлаС-40

Напряжение разряда, В 300 300

Ток разряда, А 2,23 2,20

Мощность разряда, Вт 669 652

Тяга, мН 39,2 41,5

Удельный импульс тяги, с 1468 1470

КПД, % 43 46

Цена тяги, Вт/мН 17,0 15,5

Масса, кг 2,0 1,2

Наружный диаметр УК, мм 70 49

Габаритные размеры, мм (Объем, см ) 198x146x98 (2,8-103) 167x100 x87 (1,5-103)

4. Заключение

В результате проведенной массо-энергетической оптимизации конструктивной схемы стационарного плазменного двигателя разработан новый плазменный двигатель с полым магнитным анодом малой мощности ПлаС-40, обеспечивающий повышенные в сравнении с аналогами на 10 % удельные параметры и характеристики.

В ходе исследований двигателя с полым магнитным анодом ПлаС-40 установлено, что новый двигатель имеет устойчивый характер работы в режимах при мощности разряда от 100 до 650 Вт с напряжением разряда от 100 до 500 В и током разряда от 1,00 до 2,25 А, а также и при длительной работе. Высокие тяговые параметры достигаются при различных сочетаниях токов в катушках намагничивания.

На двигателе ПлаС-40 достигнуты высокие удельные параметры, которые обеспечиваются двигателем большего типоразмера, как, например, SPT-70. Применение новых двигателей типа ПлаС для аналогичных задач, выполняемых СПД, позволяет снизить массу и занимаемый ими объем в составе КА на ~40%.

На основе полученных результатов исследований и массо-энергетической оптимизации конструкции ПлаС-40 в будущем предполагается последующее совершенствование конструктивной схемы двигателей типа ПлаС, а также разработка моделей большего типоразмера, как, например, ПлаС-55 и ПлаС-85 и исследование их параметров и характеристик.

Библиографический список

1. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Электрореактивные двигатели для малых космических аппаратов // Вестник Российского государственного университета им И. Канта, 2012. В. 4. С. 60-67.

2. Potapenko M.Yu., Gopanchuk V.V. Characteristic Relationship between Dimensions and Parameters of a hybrid Plasma Thruster // IEPC-2011-042, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, September 11-15, 2011.

3. Гопанчук В.В., Никулин Н.М., Потапенко М.Ю. Оптимизация магнитных систем электрореактивных двигателей // Вестник Московского авиационного института, 2011. Т. 18. №1. т.18.С. 64-74.

4. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Исследование конфигурации разрядной камеры гибридного плазменного двигателя // Электронный журнал «Труды МАИ». №42. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=24264 (дата обращения: 25.09.2013).

5. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов. Патент 2447625 Рос. Федерация. № 2010110866; заявл. 22.03.2010; опубл. 10.04.2012, Бюл. №10.

6. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Повышение эффективности газораспределения в ускорительном канале электрореактивного двигателя // Вестник Сибирского государственного университета имени академика М.Ф. Решетнева, 2011. В. 36 (3). С. 104-109.

7. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Исследование условий газоэлектрического пробоя в проточной части электрических изоляторов систем подачи рабочего тела

электроракетных двигателей // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта, 2010. В. 4. С. 131-137.

8. Газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя. Патент 2410742 Рос. Федерация, №2009149363; заявл. 29.12.2009, опубл. 27.01.2011, Бюл. №3.

9. Gorbunov A.V., Khodnenko V.P., Khromov A.V., Murashko V.M., Koryakin A.I., Zhasan V.S., Grikhin G.S., Galayko V.N., Katasonov N.M.. Vernier Propulsion System for Small Earth Remote Sensing Satellite "Canopus-V" // EPC-2011-002, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, September 11 - 15, 2011.