Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 501, № 1, стр. 19-22

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы применения электрических разрядов в различных аэродинамических и аэрокосмических приложениях рассматриваются авторами в различных направлениях (например, [1–3]). Одним из таких направлений является разработка принципов создания долгоживущего воздушного электрореактивного двигателя (ВЭРД), использующего в качестве рабочего тела забортные атмосферные газы для космических аппаратов (КА) на сверхнизких (150–250 км) орбитах. Применение таких орбит позволяет на порядки снизить требуемую мощность аппаратуры связи, радиационную нагрузку и затраты на выведение, повысить разрешение при зондировании Земли [4–6]. Принципиальное преимущество использования ВЭРД для решения таких задач состоит в том, что условие удержания КА с ВЭРД на сверхнизкой орбите инвариантно к плотности атмосферы, которая может изменяться многократно даже на круговой орбите [3].

Наряду с российскими исследовательскими центрами в ЦАГИ, МАИ, МГУ и др. в данном направлении проводят исследования ряд зарубежных организаций (JAXA [7], SITAEL S.p.A. [8], von Karman Institute for Fluid Dynamics [9], Stuttgart University [10], National University of Defense Technology, China [11], The Aerospace Corporation [12] и др.). Для практической реализации ВЭРД необходимо добиваться требуемого ресурса, сохранения энергетической эффективности и коэффициента использования массы рабочего газа с учетом замены ксенона, обычно применяемого в традиционных ЭРД, атмосферными азотом и кислородом, имеющими более высокие потенциалы ионизации, более низкие сечения ионизации и атомные массы и используемые в условиях очень низких давлений (1÷ 4) × 10^–2 Па [3, 13].

Для решения проблем ВЭРД в качестве базовой системы ионизации, ускорения и нейтрализации плазмы подходят плазменно-ионные двигатели (ПИД) по схеме Кауфмана [14] с осцилляцией электронов в камере в продольном магнитном поле между стенками, которые имеют потенциал катода. Двигатели такого типа, в частности, были в середине прошлого века разработаны и испытаны в наземных и летных экспериментах в ЦАГИ при участии ряда организаций в рамках государственной космической программы “Янтарь” [2, 3, 15, 16].

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЕННО-ИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Схема созданного в ЦАГИ ПИД в составе ВЭРД представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема плазменно-ионного двигателя ЦАГИ: 1 – воздухозаборник, 2 – ПИД, 3 – анод, 4 – экранная сетка, 5 – ускоряющая сетка, 6 – поток синтезированной плазмы, 7 – нейтрализатор-эмиттер электронов, 8 – камера ионизации, 9 – катод, 10 – соленоид.

Принцип действия ПИД основан на генерации плазмы внутри камеры ионизации (КИ) в результате осцилляции электронов, эмитируемых катодом, в магнитном поле с индукцией ∼3 × 10^–3 Тл для обеспечения эффективной ионизации в условиях, когда свободный пробег электронов много больше размеров КИ. Длина КИ составляет ∼120 мм. Поток ионов газа 6 генерируется в результате извлечения ионов из КИ и их ускорения в ионно-оптической системе (ИОС), состоящей из сеток 4 и 5. Объемный заряд ускоренного потока плазмы 6 компенсируется электронами из нейтрализатора 7.

На рис. 2 представлены результаты, полученные при использовании катодов прямого накала и низкой для ПИД мощности N = 450÷870 Вт. При увеличении мощности в указанных пределах параметры возрастали в следующих диапазонах: анодный ток в КИ I_а = 0.8÷1.8 А, ионный ток в пучке на выходе КИ I_i = 70÷150 мА, энергетическая эффективность η_N = 0.62÷0.7, коэффициент использования массы η_M = 0.35÷0.6.

Рис. 2.

Характеристики ПИД в зависимости от потребляемой мощности N.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Как перспективный вариант увеличения срока активного существования катодов и, следовательно КА, исследовано воздействие инфракрасных лазеров на мишени из W, Nb, HfC, Al, нержавеющей стали с разными физическими и геометрическими характеристиками для зажигания и стабильного горения разряда в КИ при параметрах ВЭРД на сверхнизкой орбите (с учетом компрессии за воздухозаборником [4]).

Изучены два пути обеспечения зажигания: термоэлектронная эмиссия путем нагрева мишеней с помощью 100-ваттного активированного иттербием Yb волоконного лазера (на длине волны 1070 нм) и применения импульсного твердотельного лазера с диодной накачкой с длительностью импульса 12 нс на длине волны 1064 нм. Результат оценивался по эффекту возрастания разрядного тока при различных напряжениях U_a = = 100÷250 В, приложенных к межэлектродному промежутку.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 3. Излучение лазера, формируемое либо волоконным 1, либо импульсным 2  лазерами вводилось в камеру ионизации 6 ПИД через окно из кварца в ионосферной аэродинамической трубе 7 и специальное отверстие в стенке КИ. Для фокусировки пучков на мишень 5 использовалась настраиваемая оптическая система из линз и диафрагм. Мощность луча измерялась калориметром 3. При проведении исследований использовались спектрометр 4 и осциллограф 8. Мишени 5 монтировались на расстоянии ~15 мм от стенки КИ, противоположной ИОС, на выполненных из W-Re державках диаметром 0.2 мм. Это расстояние определялось возможностью настройки системы излучения.

Рис. 3.

Схема эксперимента с применением лазеров и объемной мишени.

В выполненных экспериментах положительные результаты были получены при использовании непрерывного волоконного лазера с мощностью луча N_b до 75 Вт. Для этого оказалось необходимым изготовление вместо плоских – объемных мишеней 9 с глухим отверстием для ввода внутрь лазерного излучения. Мишени имели характерный размер 4 мм с отверстием диаметром 1 мм.

Наряду с методикой создания усовершенствованных мишеней, была разработана технология нанесения прочных углеродных покрытий на Hf- и Nb-мишени с целью ожидаемого снижения работы выхода электронов [17]. При этом мишени, покрытые углеродной пылью, подвергались лазерному нагреву до температуры свыше 2000°С.

Стабильное зажигание и горение разряда было получено при применении HfC-мишеней, изготовленных указанным выше методом (в отличие от NbC-мишеней). Соответствующие зависимости анодного тока I_a от напряжения U_a приведены на рис. 4.

Рис. 4.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения U_a в камере ионизации с HfC-мишенью: (1) p = 2.7 × × 10^–2 Па, N_b = 75 Вт; (2) p = 5.33 × 10^–2 Па, N_b = 50 Вт.

В опытах с применением импульсного лазера (энергия импульса до 30 мДж, частота импульсов 100 Гц) стабильное зажигание разряда и его горение в результате возникновения абляционной плазмы было получено при p = 5.33 × 10^–2 Па на мишенях из нержавеющей стали. Анодный ток достигал 1.5 А, что также удовлетворяет требованиям ПИД. Проблемой применения импульсного лазера были пробои в камере, при которых ток возрастал более чем на два порядка, вероятно, вследствие увеличения давления из-за серии импульсов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное исследование дает основание полагать, что лазерно-индуцированное зажигание может быть перспективным для использования в воздушных электрореактивных двигателях при дальнейшем усовершенствовании этого метода.