CC BY
61УДК 621.455.32.01
создание плазменных двигателей малой мощности для микроспутников
© 2015 г. гопанчук в.в., потапенко м.ю.
ФГУП Опытное конструкторское бюро «Факел» Московский проспект, д. 181, г. Калининград (обл.), Российская Федерация, 236001,
e-mail: info@fakel-russia.com
В статье представлены результаты решений ряда практических задач, возникших при разработке нового плазменного двигателя малой мощности и оптимизации принципиальной схемы с целью повышения эффективности его функционирования, а также снижения энергетических затрат на генерацию тягового усилия. Представлена концепция принципиальной схемы плазменного двигателя с полым магнитным анодом.
Изложены результаты исследовательских работ, направленных на создание перспективных плазменных двигателей малой мощности в диапазоне 70...300 Вт, обеспечивающих повышенные выходные параметры при снижении массогабаритных характеристик. В результате проведенных работ были разработаны двигатели малой мощности ПлаС-34 и ПлаС-40. Описаны итоги исследований влияния конструктивных параметров магнитной и разрядной систем на эффективность функционирования рассматриваемых двигателей. Определены особенности работы и поведение удельных параметров и характеристик плазменных двигателей новой схемы при различных режимах. Продемонстрированы преимущества двигателей типа ПлаС в сравнении с известными аналогами, а также конкурентоспособность и перспективность их применения.
Ключевые слова: малый космический аппарат, электроракетный двигатель, стационарный плазменный двигатель, тяговая эффективность, плазменный двигатель с полым магнитным анодом.
development of low-power plasma thrusters for small satellites
Gopanchuk V.V., potapenko M.Yu.
FSUE Experimental Design bureau «Fakel» 181 Moskovsky prospect, Kalinigrad (reg.), 236001, Russian Federation, e-mail: info@fakel-russia.com
The paper presents the results of solutions to a number of practical problems, encountered during development of a new low-power plasma thruster and optimization of its configuration in order to improve its performance, as well as to reduce the energy cost of thrust generation. It provides a conceptual schematic of a plasma thruster with a hollow magnet anode.
It presents the results of studies aimed at developing advanced low-power plasma thrusters within the range 70...300 W, which provide improved output parameters while having lower mass and dimensions. The development effort resulted in low-power thrusters PlaS-34 and PlaS-40. It describes the results of studies into the effects of design parameters of magnetic and discharge systems on the performance of the thrusters. It describes operational features and behavior of specific parameters of the plasma thrusters of the new system at various operating points. It demonstrates the advantages of the PlaS thrusters in comparison with known analogs, as well as their competitive edge and the promising outlook for their application.
Key words: small satellite, electric propulsion, stationary plasma thruster, thrust efficiency, plasma thruster with a hollow magnet anode.
ГОПАНЧУК в.в. ПОТАПЕНКО М.Ю.
ГОПАНЧУК Владимир Васильевич — начальник сектора - ведущий конструктор Опытного конструкторского бюро «Факел», e-mail: info@fakel-russia.com
GOPANCHUK Vladimir Vasil'evich — Head of Subdepartment - Leading Designer of Experimental Design bureau «Fakel», e-mail: info@fakel-russia.com
ПОТАПЕНКО Мира Юрьевна — кандидат технических наук, инженер-конструктор 1 категории Опытного конструкторского бюро «Факел», e-mail: mira-world@yandex.ru
POTAPENKO Mira Yur'evna — Candidate of Science (Engineering), Design Engineer of 1st category of Experimental Design bureau «Fakel», e-mail: mira-world@yandex.ru
введение
Одной из тенденций в современной космической отрасли является все большее расширение области применения на космических аппаратах (КА) электроракетных двигателей (ЭРД), в частности, стационарных плазменных двигателей (СПД) различной мощности. В настоящее время СПД применяются в системах ориентации и коррекции положения орбитальных группировок КА для обеспечения связи, вещания, ретрансляции и дистанционного зондирования Земли.
Все более активно сегодня применяются малые космические аппараты с массой до 500 кг. Круг решаемых ими задач постоянно расширяется, повышаются требования к различным подсистемам КА, в т. ч. и к самим электроракетным двигательным установкам. В связи с этим возрастает потребность создания ЭРД с улучшенными тяговыми параметрами и повышенной надежностью при минимальных его габаритах и массе.
Разработка плазменного двигателя, эффективно функционирующего при малых мощностях разряда, является достаточно сложной задачей из-за конструктивных ограничений, возникающих из-за необходимости одновременного сочетания контрарных друг другу требований. С одной стороны, необходимо предельно минимизировать взаимное влияние отдельных элементов магнитной и разрядной систем двигателя, а с другой стороны, выполнить требование по миниатюризации конструкции.
Как известно, тяговая эффективность двигателя снижается с уменьшением типоразмера модели. В малоразмерных моделях близость элементов конструкции двигателя осложняет формирование требуемой структуры магнитного поля в рабочей области ускорительного канала (УК), что необходимо для осуществления процессов ионизации и ускорения рабочего газа. Данная проблема является главной причиной невозможности достижения высокой тяговой эффективности СПД. Кроме того, в малых двигателях ограниченной теплопроводности по конструкции затруднен процесс организации теплосброса. Дополнительным немаловажным фактором является необходимость обеспечения в разрядной камере с относительно малым объемом равномерного азимутального распределения рабочего газа.
ограничения конструкции спд
Наиболее важным параметром, характеризующим СПД, является полная электрическая эффективность, которая может быть определена выражением:
П = ■
N
N
где N — мощность, используемая для генерации тягового усилия; ^вход — мощность, подводимая к двигателю.
Как известно, подводимая к двигателю мощность расходуется на несколько процессов, что демонстрирует выражение:
N «N + N + N + N ,
вход тяга ионизация потери др'
(1)
где N — мощность, используемая для
ионизация
ионизации рабочего тела; N — потери
^ 1 7 потери 1
мощности, связанные с неэффективностью работы двигателя; N — мощность, подводимая к накалу, электромагнитам и т. д.
Ввиду того, что для современных СПД затраты энергии, подводимой к электромагнитам или накалу, малы в сравнении с мощностью, выделяемой для ионизации рабочего тела, генерации тяги и различных потерь, можно ограничиться лишь тремя слагаемыми в выражении для подводимой к двигателю энергии [1]. Тогда, учитывая формулу (1), получаем выражение для полной электрической эффективности:
N
1
П
N + N + N
тяга ионизация потери
N
N
ионизация потери 1 +--—--1--—
N
N
Допустив, что для двигателей отношение N /N остается постоянным или изменя-
потери тяга
ется незначительно, получаем:
1
N
const +
ионизация
N
т. е., эффективность двигателя максимальна при минимальных затратах мощности на ионизацию рабочего тела. В СПД процессы ионизации газа неразрывно связаны с процессами ускорения. В результате этого достаточно сложно и практически невозможно независимо оптимизировать каждый из этих процессов.
Предпринимались попытки решить задачу оптимизации процессов ионизации путем применения так называемой двухступенчатой схемы СПД [2-4]. Основной задачей данной схемы являлась минимизация затрат на ионизацию путем введения вторичных источников ионизации.
Как показали исследования [5], типичный уровень затрат на ионизацию газа в 5...10 раз превышает теоретический минимум 12 эВ для ксенона и практически составляет более чем 60.120 эВ/ион. Это означает, что большая часть энергии, предназначенной для ионизации, теряется двигателем в виде бесполезного тепла и излучения.
Кроме ограничения СПД в достижении повышенных значений тяговой эффективности на всех режимах работы, также существует и ограничение в достижении высокого удельного импульса тяги. При работе СПД в режиме высокого удельного импульса тяги наблюдается снижение тяговой эффективности ввиду роста обратного электронного тока и доли
многозарядных ионов. Данное ограничение может быть снижено путем увеличения магнитного поля, что предотвращает значительное снижение тяговой эффективности двигателя на режимах работы с высоким удельным импульсом тяги. Другое ограничение СПД, связанное с режимом работы с большой тягой и низким удельным импульсом, является фундаментальным для работы холловских двигателей и вряд ли может быть решено путем оптимизации только магнитного поля. Таким образом, дальнейшее повышение тяговой эффективности на данном режиме работы возможно путем оптимизации механизмов ионизации газа независимо от процессов ускорения, что, например, возможно частично реализовать в плазменном двигателе с полым магнитным анодом.
концепция плазменного двигателя с полым магнитным анодом
В настоящее время широко известны две разновидности плазменных двигателей: СПД и двигатель с анодным слоем (ДАС). В начале 1990-х гг. с целью повышения эффективности ЭРД, а также для повышения уровня их удельных параметров и характеристик, в ОКБ «Факел» впервые была предложена [6] и апробирована в экспериментальном плазменном двигателе БРТ-1 новая конструктивная схема двигателя с полым анодом. На основе полученных результатов исследований двигателя 5РТ-1 была разработана подобная схема плазменного двигателя с полым магнитным анодом (рис. 1), которому было присвоено наименование ПлаС [6].
Рис. 1. Схема плазменного двигателя с полым магнитным анодом (ПлаС): 1 — выходные керамические кольца; 2 — полый магнитный анод-газораспределитель; 3 — ось двигателя
Отличительной особенностью двигателей типа ПлаС является комбинированная разрядная камера (РК), выходная часть которой образована диэлектрическими кольцами, расположенными в зоне наиболее интенсивного роста
п
радиальной составляющей магнитной индукции Вг, а ее донная часть образуется за счет внутренней полости примыкающего к выходным кольцам полого магнитного анода-газораспределителя, который электрически изолирован от остальных элементов конструкции двигателя.
Преимуществами такого полого магнитного анода являются: во-первых, возможность минимизации колебаний плазмы за счет облегченного процесса замыкания электронов на анод из любой зоны РК и оптимизации процесса ионообразования за счет более эффективного использования ширины УК, а, во-вторых, формирование оптимальной структуры магнитного поля с повышенным градиентом Вг в канале в направлении от анода к срезу РК [7].
Выполнение РК в виде комбинации металло-керамических материалов позволяет существенно снизить риски аккумулирования статического электричества и возникновения электрических пробоев вдоль стенок камеры, что является важным при эксплуатации в условиях низких температур.
В ОКБ «Факел» авторами ведется разработка плазменных двигателей с полым магнитным анодом малой мощности. На рис. 2 представлены лабораторная модель (ЛМ) двигателя ПлаС-34 и инженерная модель (ИМ) двигателя ПлаС-40, серединный диаметр УК которых составляет 34 и 40 мм, соответственно.
б)
Рис. 2. Плазменные двигатели с полым магнитным анодом малой мощности: а — ПлаС-34 (лабораторная модель); б — ПлаС-40 (инженерная модель)
Диапазон регулирования параметров двигателей ПлаС-34 и ПлаС-40 с учетом мощности разряда и затрат мощности на создание магнитного поля, а также с учетом расхода рабочего тела через катод и поправки на уровень давления в вакуумной камере приведен в табл. 1.
Таблица 1
основные параметры и характеристики двигателей плас-34 и плас-40
Параметр Двигатель
ПлаС-34 (ЛМ) ПлаС-40 (ИМ)
Напряжение разряда, В 120...300 100.500
Ток разряда, А 0,65...1,25 1,00.2,25
Мощность разряда, Вт 80.375 100.650
Тяга, мН* до 20 до 40
Удельный импульс тяги, с* до 1 330 до 1 880
КПД, % до 37 до 50
Цена тяги, Вт/мН* 16.21 13.18
Примечание. * - В статье наряду с единицами измерения в системе СИ используются и несистемные единицы, которые широко распространены в повседневной технической практике и инженерном общении, так как эти единицы измерения используются в ТЗ, шкалах приборов и являются производными от системных единиц. Например, вместо параметра «скорость истечения рабочего тела» [м/с] используется параметр «удельный импульс тяги» [с]; тяга указывается в [Н]. ЛМ — лабораторная модель; ИМ — инженерная модель.
особенности работы плазменного двигателя с полым магнитным анодом
Повышение эффективности функционирования двигателя является комплексной задачей, требующей совместного оптимизирования его различных систем. При разработке изделия необходимо учитывать взаимное влияние геометрических и физических параметров магнитной системы (МС) и РК. Для двигателя с полым магнитным анодом проведено исследование влияния параметров конструкции и рабочего режима на его выходные характеристики. Наибольший интерес для изучения представляло, во-первых, определение влияния конфигурации МС с новым элементом — магнитным анодом — на формирование фокусирующей геометрии силовых линий магнитного поля в УК, а также на эффективность работы МС в целом. Во-вторых, исследовалось влияние геометрических размеров и конфигурации полого магнитного анода-газораспределителя, являющегося также и элементом разрядной системы, на эффективность процессов образования и ускорения ионов.
исследование влияния магнитного поля двигателя с полым магнитным анодом на его выходные параметры
Магнитная система предназначена для формирования магнитного поля в УК со структурой, обеспечивающей нарастающий от анода к выходу характер радиальной составляющей индукции магнитного поля. Одним из условий эффективного функционирования является обеспечение в выходной области УК максимальных магнитных полей порядка 20.30 мТл. Для достижения длительного ресурса и минимизации процессов эрозии стенок РК необходимо предельно сузить протяженность зоны ионизации и ускорения (ЗИУ). При этом нужно обеспечить вынос максимума индукции магнитного поля вперед по потоку газа за срез РК и магнитные полюса магнитной системы двигателя для минимизации процессов эрозии стенок РК.
Особенностью рассматриваемой МС является введение нового магнитного элемента (как элемента из состава анода), по форме подобного основному магнитному контуру МС, но меньшего размера. Такой магнитный элемент расположен напротив межполюсного промежутка и позволяет сформировать в УК магнитное поле оптимальной конфигурации. Магнитный анод позволяет одновременно и повысить общий уровень магнитной индукции в зоне выхода из УК, и минимизировать его в зоне подачи рабочего газа (см. рис. 1) [8].
Расчеты магнитных полей, а также зондо-вые измерения магнитной индукции по серединной поверхности УК при различных токах 1к в катушках намагничивания такого двигателя продемонстрировали наличие принципиального эффекта — повышения общего уровня радиальной составляющей магнитной индукции при ее неизменном, близком к нулевому, значении вблизи донной поверхности анода (рис. 3), т. е. достигается существенное увеличение градиента радиальной составляющей магнитного поля.
При этом также отмечено, что структура магнитного поля в ускорительном канале двигателя с полым магнитным анодом [9] при существенном увеличении намагничивающей силы принципиально не изменяется — кривизна силовых линий магнитного поля не трансформируется, а увеличивается лишь напряженность в локальной области.
Известно, что положительным фактором в структуре магнитного поля в УК является обеспечение близких к нулевому значению магнитных полей в прианодной зоне подачи нейтральных частиц рабочего газа. На рис. 4
представлено распределение Бг вдоль наружной и внутренней стенок РК, а также посредине ускорительного канала.
е5
аз
к
э
и
I
К
32 28 24 20 17 12
* /
<1 ) А
с ч
( ) )
-12
-6 -3
0
Глубина ускорительного канала двигателя 2, мм
Рис. 3. Изменение радиальной составляющей магнитной индукции Бг посредине ускорительного канала при различных токах в катушках намагничивания: ■ — 1к = 1 А; ■ — 1к = 1,5 А;
■ — / = 2,0А; ■ — 1к = 2,5А Примечание. РК — разрядная камера.
Как видно из рис. 4, особенностью двигателя с полым магнитным анодом является то, что в зоне между дном анода и границей начала интенсивного роста радиальной составляющей индукции (вблизи координаты Z = -3 мм) магнитные поля по всей ширине УК минимальны.
Рис. 4. Изменение радиальной составляющей магнитной индукции вдоль ускорительного канала двигателя ПлаС-40:
■ — у наружной стенки канала; ■ — посредине канала;
■ — у внутренней стенки канала Примечание. РК — разрядная камера.
Кроме того, необходимо также отметить, что структура магнитного поля у стенок УК симметрична относительно его серединной поверхности, что очень важно для более полного использования всей ширины канала для повышения эффективности процесса ионизации газа.
Были проведены исследования по влиянию изменения магнитного поля в УК на тяговые параметры двигателя ПлаС-40 (рис. 5). Во время испытаний двигателя при изменении магнитного поля (при оптимизации по токам намагничивания на режиме при 1Л = 1,25 А и иа = 180 В) ток в одной группе катушек поддерживался постоянным на уровне 1,8 А, тогда как в других изменялся.
Результаты испытаний показали, что новый двигатель имеет относительно широкий диапазон стабильной и устойчивой работы при различных сочетаниях токов в катушках намагничивания, при которых уровень КПД остается на высоком уровне (рис. 5, а).
а)
б)
Рис. 5. Зависимости параметров двигателя ПлаС-40: а —
КПД от тока в катушках намагничивания (♦ — регулирование наружной катушки, ■ — регулирование внутренней катушки); б — тяги от индукции магнитного поля Вг в ускорительном
канале (■ — 1 = 1 А; ♦
V р '
-1 = 1,5 А; • — 1 -
р р
2,0 А; ■ — 1 = 2,5 А)
Было также отмечено, что при токе разряда 1р более 2 А происходит резкое повышение уровня тяги двигателя в зависимости от уровня генерируемого магнитного поля (рис. 5, б). Данное явление, как показали исследования, обусловлено сужением протяженности ЗИУ и ее смещением к срезу РК, что, как известно, способствует снижению потерь выпадающих на стенках канала ионов, улучшению фокусировки плазменной струи, и, в конечном итоге, повышению тяговых параметров двигателя.
исследование эффективности процессов ионизации в разрядной камере двигателя
Уровень достигаемых тяговых и ресурсных характеристик любого СПД в значительной степени зависит от эффективности процессов ионо-образования и ускорения в РК. Эффективность
работы двигателя зависит от эффективности использования рабочего тела (РТ), для повышения которой необходима оптимизация организации процессов ионизации и ускорения при помощи новой конструкции РК. Степень (полнота) ионизации РТ является одним из основных факторов, влияющих на КПД и достижение повышенного удельного импульса тяги. Это влияние играет наиболее существенную роль при изменениях удельного импульса при фиксированных значениях напряжения разряда и расхода РТ. При стремлении обеспечения полной ионизации газа в РК двигателя необходимы, во-первых, рациональное расположение анода относительно границы зоны ионизации плазмы, во-вторых, организация эффективного газораспределения в РК по всей ширине УК. При решении таких задач необходимо также стремиться к обеспечению равномерной азимутальной однородности газораспределения в РК не только по азимуту УК, но и по всему объему анодной полости.
Основным критерием для оценки использования РТ является коэффициент переработки нейтральных атомов подаваемого РТ в ускоряемые ионы (часто называемый также коэффициентом использования РТ) [10]:
К = 1. /1.,
г г' т'
где Г — ток ионов, выходящих из канала; 1т — расход, выраженный в токовых единицах.
т
1 —г— е, т М '
где т — расход РТ; М — масса атомов РТ (для ксенона М = 2,18-10-25 кг); е — заряд электрона.
Как известно, оптимальным считается режим функционирования ЭРД, когда все нейтральные атомы РТ однократно ионизуются, и впоследствии все образовавшиеся ионы ускоряются. При этом предпочтительнее, чтобы число попадающих на стенки ионов, подверженных рекомбинации, было минимально, или чтобы они отсутствовали полностью (К.« 1).
В двигателе с полым магнитным анодом повышение эффективности процесса ионо-образования достигается за счет дополнительных каналов подачи РТ в РК двигателя, располагающихся на внутренней и наружной стенке полого анода и максимально приближенных к входной по потоку газа границе зоны ионизации (см. рис.1). Подача рабочего газа вблизи границы начала зоны ионизации посредством дополнительных каналов впрыска позволяет предельно снизить вероятность образования многозарядных ионов и потери ионов на стенках [11].
По результатам испытаний также был рассчитан коэффициент ионизации РТ К. Данный коэффициент для двигателя ПлаС-40 изменяется в диапазоне 0,65.0,90, что свидетельствует о неполной ионизации РТ в разрядном канале двигателя (рис. 6).
Напряжение разряда.
Рис. 6. Зависимость коэффициента ионизации рабочего те ла К. от напряжения разряда: ♦
- Ip = 1,5 Л; • -
1,75 А;
I
I =
Р
- 2 А; ■ -
1 А;
I = 2,25 А
I = 1,25 А;
р '
Необходимо также отметить, что при данных пониженных значениях коэффициента ионизации РТ в двигателе ПлаС-40 достигаются более высокие значения КПД (рис. 7).
Напряжение разряда, а)
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Напряжение разряда, В б)
Рис. 7. Зависимости параметров двигателя ПлаС-40 от напряжения разряда: а — КПД; б — цена тяги (♦ — I = 1 А; ■ —
I = 1,25 А; ▲— I =
р ' ' р
1,5 А; • — I = 1,75 А; ▲ — I = 2 А; ■
- Ip = 2,25 А)
Данный эффект, возможно, обусловлен сниженной интенсивностью образования ионов в глубине анодной полости, т. е. в той части РК, где образование ионов энергетически
невыгодно, так как снижается вероятность их выхода из двигателя, минуя повторные столк-новительные процессы. Однородность потока газа по ширине канала вблизи входной границы зоны ионизации позволяет повысить интенсивность ионообразования у стенок УК и, тем самым, «растянуть» ядро ионообразова-ния по ширине канала, что в конечном итоге положительным образом влияет на выходные параметры двигателя.
Существенное влияние на уровень тяги и удельного импульса двигателя оказывает форма выходной части УК. Известно, что для достижения высокого удельного импульса тяги необходимо обеспечить высокую удельную плотность рабочего газа в канале. Это возможно путем повышения расхода газа, что ограничено плотностью мощности, или уменьшения ширины УК. Но, в свою очередь, тяга двигателя в значительной степени определяется шириной УК в зоне ионизации.
Сочетание таких противоречивых требований реализовано в новой конфигурации выходной части УК двигателя типа ПлаС таким образом, что на выходе из анодной полости для повышения плотности расхода в зоне ионизации выполнено сужение УК с последующим резким расширением в зоне ускорения. Такая конфигурация выходной части УК позволяет снизить ограничение по обеспечению одновременно высоких значений тяги и удельного импульса тяги. На рис. 8 представлена зависимость тяги и удельного импульса тяги двигателя ПлаС-40 при различной конфигурации УК и фиксированной мощности разряда.
Рис. 8. Зависимости тяги и удельного импульса от напряжения разряда при различной ширине ускорительного канала ПлаС-40 и фиксированной мощности разряда: ♦ — 8 мм; ■ — 8/11 мм;
8 мм; • — 8/11 мм; 1 — тяга; 2 — удельный импульс
Как показали испытания, профилирование стенок РК вышеописанным образом позволяет повысить удельный импульс тяги при неизменных энергетических затратах. При этом, также за счет реализации резко расширяющейся геометрии УК в зоне ускорения, достигаются и высокие значения тяги.
р
сравнительный анализ двигателей плас-34 и плас-40 с аналогами
Для параметрического ряда плазменных двигателей типа ПлаС определены характеристические соотношения подобия основных геометрических размеров и рабочих параметров, являющихся базовыми для конфигурации двигателей данной разновидности [6]. Для сравнительного анализа тяговых параметров двигателя ПлаС-34 выбраны наиболее близкие по типоразмеру СПД классической схемы, а также известные аналоги СПД, в схеме которых используется принцип «магнитного экранирования» (магнитные экраны оторваны от магнитопровода и объединены перемычкой).
Двигатель КМ-32 с серединным диаметром УК 032 мм разработан ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» (г. Москва) на номинальную мощность разряда 200 Вт. Конструктивная особенность данного двигателя — разрядная камера, выполненная по комбинированной схеме: стенки донной части РК металлические, находятся во время работы под плавающим потенциалом. В области выхода из РК установлены керамические кольца, примыкающие к металлическим стенкам анода. Металлические стенки РК дополнительно выполняют функцию магнитопроводящих элементов МС двигателя КМ-32 [12]. В табл. 2 приведены основные характеристики и другого двигателя — HT-100 с номинальной мощностью разряда 100 Вт, разработанного компанией ALTA S.p.A. (Италия) [13]. В той же таблице представлены сравнительные характеристики указанных двигателей малой мощности одного типоразмера на режимах с различными значениями тока разряда.
Сравнительный анализ двигателей ПлаС-34, КМ-32 и HT-100 показывает, что на одинаковых или близких режимах двигатель с полым магнитным анодом ПлаС-34 имеет соизмеримые или повышенные на 3-5% удельные параметры и характеристики.
Для сравнения двигателя большего типоразмера ПлаС-40 в табл. 3 приведены параметры двигателя СПД-70 разработки ОКБ «Факел», выполненного по классической схеме СПД, а также параметры близкого по типоразмеру двигателя HT-400, разработанного компанией ALTA S.pA. Разрядная камера в HT-400 выполнена аналогично схеме известных СПД. Отличительной особенностью его конструкции является, во-первых, использование в качестве внутреннего и наружного источников намагничивающей силы постоянных магнитов, что, как известно, позволяет снизить потребляемую
мощность, а также температуру конструкции наиболее критичных внутренних элементов двигателя. Во-вторых, магнитный экран магнитной системы охватывает с внешних сторон керамическую разрядную камеру с магнитными зазорами относительно элементов рабочего магнитного контура [14].
Таблица 2
параметры двигателей малой мощности
Параметр* Двигатель
КМ-32 НТ-100 ПлаС-34
Напряжение разряда, В 200 200 200 200 200 200
Ток разряда, А 0,65 1,23 0,65 0,95 0,65 1,16
Анодный расход рабочего тела, мг/с 0,8 1,4 0,75 1,0 0,74 1,26
Катодный расход рабочего тела, мг/с 0,1 0,1 0,1 0,1 0,12 0,12
Мощность разряда, Вт 136 246 130 190 130 232
тяга, мн 7,5 15,0 7,4 10,0 7,5 14,1
Удельный импульс тяги, с 854 1 000 870 945 870 1 020
кпд, % 23,2 29,0 23,4 28 25,1 31,2
Цена тяги, Вт/мН 18,3 16,4 18,1 18,3 17,3 16,4
Масса, кг — — 0,97
Наружный диаметр ускорительного канала, мм — — 40
Габаритные размеры, мм (Объем, см3) — — 100x92x85 (0,78-103)
Примечание. * — Значения тяговых параметров и характеристик двигателей указаны с учетом расхода рабочего тела через катод и поправки на уровень давления в вакуумной камере.
Таблица 3
параметры двигателей средней мощности
Параметр Двигатель
СПД-70 HT-400 ПлаС-40
Напряжение разряда, В 300 300 300
Ток разряда, А 2,23 2,25 2,20
Мощность разряда, Вт 669 675 652
тяга, мн 39,2 33 41,5
Удельный импульс тяги, с 1 468 1 500* 1 470
кпд, % 43 45* 46
Цена тяги, Вт/мН 17,0 20,5 15,5
Масса, кг 2,0 1,1* 1,2
Наружный диаметр ускорительного канала, мм 70 62 49
Габаритные размеры, мм (Объем, см3) 198x146x98 (2,8-103) 90x113x95 (1,0-103)* 167x100x87 (1,5-103)
Примечание. * — Указаны значения параметров и характеристик анодного блока НТ-400, удельный импульс и КПД указаны без учета расхода рабочего тела через катод и поправки на уровень давления в вакуумной камере.
Исследование инженерной модели ПлаС-40 показало, что в сравнении с аналогами одного типоразмера на одинаковых или близких режимах работы двигатель обеспечивает повышенные на 8-10% тяговые параметры [15]. Кроме того, стендовые испытания ПлаС-40 продемонстрировали возможность достижения уровня удельных параметров, характерного для известных плазменных двигателей большего типоразмера (табл. 3).
Заключение
Повышение эффективности плазменных двигателей в сочетании с их надежностью достигается путем совершенствования конструкции известных СПД или созданием плазменных двигателей принципиально новых схем. Реализованная в двигателе типа ПлаС новая конструктивная схема продемонстрировала возможность повышения тяговой эффективности при неизменных энергетических затратах на генерацию тягового усилия.
В ходе исследований двигателей с полым магнитным анодом малой мощности ПлаС-34 и ПлаС-40 установлено, что новые двигатели имеют устойчивый характер работы в более широком диапазоне мощности разряда. Высокие тяговые параметры достигаются при различных сочетаниях токов в катушках намагничивания.
В сравнении с известными аналогами соизмеримой рабочей мощности двигатели с полым магнитным анодом ПлаС-34 и ПлаС-40 обеспечивают:
• более низкие значения цены тяги;
• пониженный уровень колебаний тока и напряжения разряда;
• повышенный КПД.
На двигателе ПлаС-40 достигнуты высокие удельные параметры, которые обеспечиваются двигателем большего типоразмера. Применение новых двигателей типа ПлаС для аналогичных задач, выполняемых СПД, позволяет снизить массу и занимаемый ими объем в составе КА (как, например, КА серии «Ямал», EgyptSat) практически на ~40%.
На основании полученных результатов исследований двигателей малой мощности ПлаС-34 и ПлаС-40 определены направления последующего совершенствования двигателей типа ПлаС, а также запланированы разработка моделей большего типоразмера (ПлаС-55, ПлаС-85 и ПлаС-120) и исследование их параметров и характеристик.
Список литературы
1. Peterson P., Massey D, Shabshelowitz A., Shastry R., Liang R. Performance and plume characterization of a helicon Hall thruster// IEPC-2011-269, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 11-15 September 2011.
2. Fish N, Raitses Y, Litvak A., Dorf L. Design and operation of hall thruster with segmented electrodes // Joint Propulsion Conference, AIAA-99-2572, Los Angeles, СА, 1999.
3. Hofer R., Peterson P., Galimore A. A high specific impulse two-stage hall thruster with plasma lens focusing // IEPC-01 -036, International electric Propulsion Conference, Pasadena, СА, 2001.
4. Molina-Morales P., Kuninaka H., Toki K. Microwave Hall thruster development// IEPC-03-057, International electric Propulsion Conference, Toulouse, France, 2003.
5. Kim V. Main Physical Features and Processes Determining the performance of stationary plasma thruster // Journal of propulsion and power. 1998. Vol. 14. №9 5. Pp. 736-743.
6. 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, 11-15 September 2011.
7. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Исследование влияния конфигурации разрядной камеры на характеристики гибридного плазменного двигателя // Электронный журнал «Труды МАИ». № 42. Режим доступа: http:// www.mai.ru/science/trudy/ (дата обращения: 30.09.2013 г.).
8. Гопанчук В.В., Никулин Н.М., Потапенко М.Ю. Оптимизация магнитных систем электрореактивных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2011. Т. 18. № 1. C. 64-74.
9. Гопанчук В.В., Потапенко М.Ю. Исследование топологии магнитного поля в ускорительном канале электрореактивных двигателей // Труды ВНИИЭМ. Вопросы электромеханики. 2010. Т. 119. № 5. С. 31-40.
10. Бугрова А.И., Ким В.П. Современное состояние физических исследований в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. В сб. Плазменные ускорители и ионные инжекторы. М.: Наука, 1984. С. 107-129.
11. Гопанчук В.В., Жасан В.С., Потапенко М.Ю. Повышение эффективности газораспределения в ускорительном канале электрореактивного двигателя // Вестник
Сибирского государственного университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2011. Вып. 36(3). С. 104-109.
12. Belikov M., Gorshkov O, Dyshlyuk E., Lotsov A., Shagayda A. Development of Low-power Hall Thruster with lifetime up to 3000 hours // EPC-2007-129, 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, 17-20 September 2007.
13. Rossetti P., Andrenucci M. HT-100 Development Status // IEPC-2009-126, 31st International Electric Propulsion Conference, Ann Arbor, Michigan, USA, 20-24 September 2009.
14. Oslyak S., Ducci C, Rossetti P., Andrenucci M. Characterization of an adjustable magnetic field, low-power Hall Effect Thruster // IEPC-2011-143, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 11-15 September 2011.
15. Potapenko M.Yu., Gopanchuk V.V. Development and research of the plasma thruster with a hollow magnet Anode PlaS-40 // IEPC-2013-052, 33rd International Electric Propulsion Conference, The George Washington University, Washington, D.C., USA, 6-10 October 2013. Статья поступила в редакцию 14.05.2015 г.
Reference
1. Peterson P., Massey D., Shabshelowitz A., Shastry R., Liang R. Performance and plume characterization of a helicon Hall thruster. IEPC-2011-269, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 11-15 September 2011.
2. Fish N., Raitses Y., Litvak A., Dorf L. Design and operation of hall thruster with segmented electrodes. Joint Propulsion Conference, AIAA-99-2572, Los Angeles, SA, 7-10 July 1999.
3. Hofer R., Peterson P., Galimore A. A high specific impulse two-stage hall thruster with plasma lens focusing. IEPC-01-036, International electric Propulsion Conference, Pasadena, SA, 14-19 October 2001.
4. Molina-Morales P., Kuninaka H., Toki K. Microwave Hall thruster development. IEPC-03-057, International electric Propulsion Conference, Toulouse, France, 17-21 March 2003.
5. Kim V. Main Physical Features and Processes Determining the performance of stationary plasma thruster. Journal of propulsion and power, 1998, vol. 14, no. 5, pp. 736-743.
6. 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, 11-15 September 2011.
7. Gopanchuk V.V., Potapenko M.Yu. Issledovanie vliyaniya konfiguratsii razryadnoi kamery na kharakteristiki gibridnogo plazmennogo dvigatelya [A study of the effects of the discharge chamber configuration on the performance of a hybrid plasma thruster]. Online magazine «Trudy MAI», no. 42. Available at: http://www.mai.ru/science/trudy/ (accessed30.09.2013).
8. Gopanchuk V.V., Nikulin N.M., Potapenko M.Yu. Optimizatsiya magnitnykh sistem elektroreaktivnykh dvigatelei [Optimization of magnetic systems of electric propulsion thrusters]. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta, 2011, vol. 18, no. 1,pp. 64-74.
9. Gopanchuk V.V., Potapenko M.Yu. Issledovanie topologii magnitnogo polya v uskoritel'nom kanale elektroreaktivnykh dvigatelei [A study of magnetic field topology in the accelerator channel of the electrical propulsion thrusters]. Trudy VNIIEM. Voprosy elektromekhaniki, 2010, vol. 119, no. 5,pp. 31-40.
10. Bugrova A.I., Kim V.P. Sovremennoe sostoyanie fizicheskikh issledovanii v uskoritelyakh s zamknutym dreifom elektronov i protyazhennoi zonoi uskoreniya. In: Plazmennye uskoriteli i ionnye inzhektory [The current status of physical research in accelerators with close-loop electron drift and extended acceleration zone. In: Plasma accelerators and ion injectors]. Moscow, Naukapubl., 1984. Pp. 107-129.
11. Gopanchuk V.V., Zhasan V.S., Potapenko M.Yu. Povyshenie effektivnosti gazoraspredeleniya v uskoritel'nom kanale elektroreaktivnogo dvigatelya [Improving efficiency of gas distribution in the acceleration channel of electrical propulsion thruster]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta imeni akademika M.F. Reshetneva, 2011, issue 36(3), pp. 104-109.
12. Belikov M., Gorshkov O., Dyshlyuk E., Lotsov A., Shagayda A. Development of low-power hall thruster with lifetime up to 3000 hours. EPC-2007-129, 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, 17-20 September 2007.
13. Rossetti P., Andrenucci M. HT-100 Development Status. IEPC-2009-126, 31st International Electric Propulsion Conference, Ann Arbor, Michigan, USA, 20-24 September 2009.
14. Oslyak S., Ducci C., Rossetti P., Andrenucci M. Characterization of an adjustable magnetic field, low-power Hall Effect Thruster. IEPC-2011-143, 32nd International Electric Propulsion Conference, Wiesbaden, Germany, 11-15 September 2011.
15. Potapenko M. Yu., Gopanchuk V. V. Development and research of the plasma thruster with a hollow magnet Anode PlaS-40. IEPC-2013-052, 33rd International Electric Propulsion Conference, The George Washington University, Washington, D.C., USA, 6-10 October 2013.
