Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 26-39

ВВЕДЕНИЕ

Одной из тенденций в современной космической технике является все большее расширение применения электроракетных двигателей (ЭРД) для управления движением космического аппарата (КА). В частности, стационарные плазменные двигатели (СПД), использующие ксенон в качестве рабочего тела, успешно отработали или работают в настоящее время в системах коррекции нескольких десятков КА для обеспечения связи и передачи информации, дистанционного зондирования Земли [1, 2]. Применение СПД началось и для довыведения КА на геостационарную орбиту, а также для транспортировки исследовательских КА с околоземной на окололунную орбиту [2, 3]. Планируется также их использование для расстановки и подержания положения КА на нужных орбитах в составе многоспутниковых группировок. В связи с этим повысился интерес к разработке СПД малой мощности. Кроме того, с учетом большой стоимости ксенона, малой его распространенности в природе и небольших объемов производства все больший интерес проявляется и к более дешевым, альтернативным ксенону рабочим веществам (РВ). Среди них естественный интерес представляет криптон, по следующим причинам:

– криптон является таким же инертным газом, как и ксенон, что упрощает решение задач его хранения и подачи в двигатель, минимизирует воздействие струи работающего двигателя на элементы конструкции КА;

– он больше чем на порядок дешевле ксенона и производится в неизмеримо больших объемах.

– он имеет 1-ый потенциал ионизации, близкий к соответствующему потенциалу ионизации ксенона, что в принципе обеспечивает возможность создания достаточно эффективных СПД и на криптоне.

Применительно к СПД средней мощности к настоящему времени показана возможность создания двигателя с тяговой эффективностью, практически не уступающей двигателю на ксеноне [4–6]. Для двигателей же малой мощности создать достаточно эффективный СПД малой мощности сложно не только на криптоне, но и на ксеноне в силу действия целого ряда факторов [7], которые подробнее будут рассмотрены позже. Эти факторы определяют принципиальные сложности обеспечения высокой тяговой эффективности и большого ресурса СПД малой мощности. Кроме того, с уменьшением размеров двигателя все больше осложняется проблема обеспечения большого его ресурса. Поэтому задачей данной работы являлось определение возможности создания конкурентоспособного СПД малой мощности при его работе на криптоне. Полученные в результате этого исследования результаты представлены в данной статье.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ СОЗДАНИЯ КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ СПД МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Как уже отмечалось во введении, выполненные к настоящему времени исследования свидетельствуют о возможности разработки достаточно эффективных СПД средней и большой мощности, работающих на криптоне. Так, лабораторная модель масштаба современного двигателя СПД-140 разработки ОКБ “Факел” при соответствующей ее модернизации может работать длительное время на режиме с мощностью до 10 кВт, тягой до 500 мН, тяговым коэффициентом полезного действия не менее 60% и удельным импульсом тяги до 2600–2700 с [6], При этом имеются предпосылки и для получения большого ресурса двигателя такого масштаба. Для СПД малой мощности решение названной проблемы существенно усложняется по следующим причинам:

А. Для создания СПД малой мощности необходимо уменьшать размеры двигателя из-за того, что для уменьшения мощности необходимо уменьшать расход РВ через двигатель. Это приводит к необходимости уменьшения размеров ускорительного канала для сохранения в нем концентрации плазмы и длины свободного пробега ${{\lambda }_{i}}$ = = ${{{{V}_{{\text{a}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{V}_{{\text{a}}}}} {\left\langle {{{\sigma }_{i}}{{V}_{t}}} \right\rangle {{n}_{{\text{e}}}}}}} \right. \kern-0em} {\left\langle {{{\sigma }_{i}}{{V}_{t}}} \right\rangle {{n}_{{\text{e}}}}}}$ атомов до их ионизации на уровне, обеспечивающем приемлемые значения коэффициента переработки потока атомов в ионы (коэффициента использования РВ). Длина свободного пробега атомов зависит от скорости атомов ${{V}_{{\text{а }}}},$ коэффициента скорости ионизации $\left\langle {{{\sigma }_{i}}{{V}_{{\text{e}}}}} \right\rangle ,$ усредненного по функции распределения электронов по скоростям, и концентрация ${{n}_{{\text{e}}}}$ электронов в слое ионизации и ускорения (СИУ), которую можно изменять, изменяя расход $\dot {m}$ РВ через ускорительный канал. В конечном счете это приводит к тому, что для получения высокой тяговой эффективности плотность массового расхода РВ в ускорительном канале СПД должна удовлетворять следующему соотношению [4]:

где S_ch, ${{\bar {V}}_{i}},$ e, kT_a, ΔU, L, C₁ – соответственно, площадь поперечного сечения ускорительного канала, продольная составляющая скорости ионов в СИУ, заряд электрона, температура атомов, падение потенциала в СИУ, продольный размер (толщина) СИУ, в котором реализуется основное падение потенциала в разряде, и постоянный коэффициент, не зависящий от рода РВ.

Результаты последних исследований свидетельствуют также о том, что, несмотря на различие свойств ксенона и криптона, минимальные значения плотности расхода как ксенона, так и криптона составляют примерно одну и ту же величину порядка 0.1 мг/с см² [6], если ее рассчитывать с учетом начального расширения канала или его расширения в результате длительной работы двигателя. Это приводит к тому, что при сопоставимых условиях по переработке потока атомов в ионы, разрядный ток при работе на криптоне должен быть в примерно в M_Xe/M_Kr раз больше, где M_Xe и M_Kr – атомные массы ксенона и криптона. Поэтому на сопоставимых режимах при работе двигателя на криптоне мощности разряда будут всегда больше, чем при работе на криптоне. Это дополнительно усложняет решение проблемы обеспечения большого ресурса двигателей на криптоне.

В данной работе предполагалось, что разрабатываемый СПД малой мощности должен работать при мощностях не более 200 Вт на ксеноне и не более 250 Вт на криптоне. При типичных разрядных напряжениях для СПД небольшой мощности 180–250 В разрядный ток в двигателе при названной мощности не должен превышать 1.0–1.4 А. Если принять, что разрядный ток СПД будет превышать соответствующий ток при работе на ксеноне примерно в 1.6 раз и учесть, что в СПД при его работе на ксеноне разрядный ток в амперах численно примерно равен расходу ксенона в мг/с, то ожидаемые расходы криптона через ускорительный канал могут составлять 0.6–0.9 мг/с. Кроме того, при работе СПД на криптоне с малыми мощностями отношение разрядного тока к расходу заметно меньше, чем при работе на криптоне, из-за меньших коэффициентах переработки потока атомов в ионы [8]. Поэтому значения расхода криптона будут скорее всего около 1 мг/с или больше. Предыдущие работы показали также, что такие расходы и режимы работы могут быть реализованы в двигателе традиционной схемы при диаметрах наружного канала около 40 мм и было подтверждено, что основной проблемой разработки такого двигателя является обеспечение большого его ресурса [9].

Б. При уменьшении размеров ускорительного канала уменьшается и диаметр центрального сердечника и других элементов магнитной системы в двигателе традиционной схемы, и это, начиная с определенного размера двигателя, затрудняет оптимизацию магнитного поля [7]. Так, при пропорциональном изменении ширины канала и его среднего диаметра с уменьшением характерного размера двигателя (диаметра или ширины ускорительного канала b_ch) оптимальное значение магнитной индукции в канале должно возрастать в первом приближении пропорционально 1/b_ch, а сечение сердечника центральной катушки намагничивания будет убывать пропорционально $b_{{{\text{ch}}}}^{2}$ [7]. Поэтому при малых размерах двигателя оказывается невозможным создавать оптимальное магнитное поле, аналогичное полям в больших двигателях, из-за насыщения, как минимум, центрального сердечника, и приходится использовать иные решения.

В. С уменьшением размеров двигателя возникает также проблема обеспечения необходимого для длительной работы запаса толщины стенок разрядной камеры на их износ. Если принять, что соотношение размеров элементов конструкции СПД малой мощности будет примерно таким же, как и в двигателе большого размера, то уменьшение размеров двигателя традиционной схемы будет приводить к уменьшению толщины стенок и соответствующих запасов на их износ. Таким образом, ресурс такого СПД должен уменьшаться с уменьшением размеров двигателя примерно пропорционально характерному его размеру. В то же время требования к ресурсу СПД малой мощности оказываются близкими к требованиям по ресурсу для двигателей средней мощности. Поэтому проблема обеспечения большого ресурса становится критической для решения задачи создания конкурентоспособных СПД малой мощности как на ксеноне, так и на криптоне. И для ее решения необходима разработка новых решений по организации рабочих процессов в СПД малой мощности. С учетом изложенного основной задачей данной работы являлась разработка решений, которые могут обеспечить большой ресурс СПД малой мощности, работающего на криптоне при сохранении приемлемого уровня его тяговой эффективности. В случае успеха эти решения, естественно, будут использованы и в конструкции двигателя на ксеноне. Поэтому проверялась эффективность разработанных решений и при работе разрабатываемого двигателя на ксеноне.

Анализ результатов работ по повышению ресурса СПД свидетельствует о том, что в настоящее время они проводятся по нескольким направлениям. Первое из них развивает традиционное направление, позволяющее управлять слоем ионизации и ускорения изменением магнитного поля, а также размерами и конфигурацией ускорительного канала с целью максимального вынесения СИУ из конструкции двигателя [10, 11]. Достоинством этого направления является использование традиционных средств управления и определенная предсказуемость ожидаемых результатов.

Второе направление называется “магнитной защитой” стенок и также использует управление магнитным полем и конфигурацией ускорительного канала [12]. Но, как показали первые работы в этом направлении [13], при попытках его реализации применительно к малоразмерным СПД возникают трудности, которые сложно преодолеть.

Третье направление сводится к переходу к другим схемам двигателя. Среди них наиболее популярной является схема так называемого цилиндрического двигателя, впервые предложенного сотрудниками Принстонского университета (США) [14]. Но в этих схемах рабочие процессы отличаются очень значительно от того, как работает классический СПД. Кроме того, они не дают преимуществ по тяговым характеристикам по сравнению с двигателями традиционных схем.

С учетом изложенного в данной работе выбрано первое из названных выше направлений, при реализации которого решается задача максимально возможного вынесения СИУ из конструкции двигателя соответствующим вынесением максимума распределения магнитной индукции за плоскость полюсов магнитной системы. Поэтому была разработана и изготовлена модель СПД с наружным диаметром ускорительного канала около 40 мм и шириной канала в межполюсном зазоре 6 мм (далее модель СПД-40М, рис. 1), магнитная система которой позволила сместить максимум упомянутого распределения магнитной индукции на 3 мм за плоскость полюсов магнитной системы, т.е. более чем на 50% от ширины канала в межполюсном зазоре. Кроме того, было использовано предварительное расширение канала с учетом того, что при расширении выходной части канала в процессе ресурсных испытаний двигателя СПД-100 на углы порядка 30–45 градусов, скорость износа снижается до 4–5 раз, и дальнейшее расширение канала из-за износа стенок не приводит к значительному смещению зон эрозии стенок [15]. При этом скорость износа внутренней стенки выходит на уровень 3.5–4 мкм/ч, а наружной стенки – на уровень 2 мкм/ч. Это свидетельствует о существенном уменьшении потоков ускоренных ионов и соответствующего энерговыделения на стенках, а также о снижении влияния стенок на формирование СИУ и на его толщину. Более того, оно должно способствовать уменьшению продольного размера (толщины) СИУ, как минимум, за счет снижения пристеночной электронной проводимости поперек магнитного поля вследствие снижения концентрации плазмы у стенок и потоков взаимодействующих с ней электронов. Поэтому даже при названном вынесении максимума индукции магнитного поля появляется шанс полностью разместить СИУ в расширенной за пределами плоскости полюсов части канала. В расчете на это в модели СПД-40М увеличены запасы на износ выходных частей стенок разрядной камеры путем увеличения их толщины в радиальном направлении, в свободном от полюсов пространстве с целью увеличения ресурса модели.

Выходные кольца разрядной камеры были выполнены сменными и, начиная примерно от плоскости полюсов, они были выполнены с расширенной выходной частью канала, ограниченного коническими поверхностями стенок с углами расширения канала на 30 градусов на сторону. При этом определялись интегральные характеристики модели, и были проведены эрозионные испытания с целью определения положения зон эрозии и скоростей износа стенок. Полученные при этом результаты приведены в следующем разделе.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛИ СПД-40М И ЭРОЗИОННЫХ ЕЕ ИСПЫТАНИЙ

На первом этапе исследований, как обычно, определялись вольт-амперные и тяговые характеристики созданной модели при ее работе на ксеноне и криптоне. Для этого модель размещалась в вакуумной камере диаметром 2 м и рабочей длиной до 3.5 м, откачиваемой “сухими” форвакуумным и криогенными высоковакуумными насосами, обеспечивавшими давление в вакуумной камере при работе модели не выше 3 × 10^–3 Па. В процессе исследований измерялись разрядное напряжение и разрядный ток, расходы рабочего газа через ускорительный канал (анод) и катод, а также измерялась реактивная тяга, развиваемая моделью. При всех исследованиях использовался катод разработки ОКБ “Факел”, способный обеспечивать разрядные токи 0.8–1.0 А при расходах ксенона или криптона 0.1–0.15 мг/с. Ниже все характеристики приведены при расчете выходных параметров двигателя с учетом суммарного расхода РВ через двигатель.

При работе на ксеноне были получены типичные для моделей малой мощности характеристики. Достаточно сказать, что при разрядном напряжении 250 В и мощности около 190 Вт было получено значение тяги 10.7 мН при расходе ксенона через двигатель 1.05 мг/с. При этом тяговый коэффициент полезного действия составлял 27%, а удельный импульс тяги – 1050 с.

Характеристики модели СПД-40М при ее работе на криптоне приведены на рисунках 2–6. Они также имеют типичный для СПД вид. При суммарном расходе криптона 1 мг/с, разрядном напряжении около 250 В и мощности около 250 Вт (рис. 3) тяга модели составила около 9.7 мН, тяговый КПД – 0.17, а удельный импульс тяги – около 900 с. Следует отметить, что характеристики СПД зависят от состояния поверхностей элементов разрядной камеры, ограничивающих ускорительный канал. Поэтому параметры двигателя более надежно определяются при достаточно длительных испытаниях. И такие испытания на выбранных режимах работы были проведены при работе модели СПД-40М как на ксеноне, так и на криптоне.

Невысокий уровень тягового КПД при работе на обоих РВ и более низкий уровень тяговой эффективности модели при ее работе на криптоне объясняются более высоким первым потенциал ионизации криптона и малыми расходами криптона и ксенона на рассмотренных режимах работы вследствие необходимости ограничения мощностей разряда значениями 200 Вт для ксенона и 250 Вт для криптона [8].

С учетом полученных результатов были выбраны предварительные номинальные режимы работы модели СПД-40М, и проведены 50-часовые эрозионные испытания модели при ее работе на ксеноне и 150-часовые эрозионные испытания – при ее работе на криптоне на приведенных режимах. После приработки в течении первых 20 ч при работе на ксеноне и в течении 40 ч при работе на криптоне эти режимы уточнялись и средние значения параметров при остальных наработках приведены в табл. 1.

Проведенные испытания показали следующее:

– и при работе на ксеноне и при работе на криптоне зоны эрозии стенок разрядной камеры разместились в расширенной части ускорительного канала (рис. 7), что определяет возможность увеличения толщины стенок в радиальном направлении для увеличения запасов на износ и увеличения ресурса двигателя при соответствующем выполнении его конструкции;

– максимальные скорости износа, определенные на базе 50 ч при работе на ксеноне, не превысили 6 мкм/ч;

– при работе на криптоне за первые 100 ч максимальные скорости износа не превысили 9 мкм/ч, а при последующей наработке от 105.8 ч до 150 ч, они снизились примерно до 6.8 мкм/ч (рис. 8–9);

– выходные параметры модели оставались достаточно стабильными (рис. 9–10), при этом средние значения разрядного тока при работе на криптоне составляли 0.95 ± 0.05 А, разрядного напряжения – 255 В и мощности разряда на установившемся режиме – (242 ± 10) Вт, тяги – 10 ± 0.3 мН, полного тягового КПД 0.17–0.20_, удельного импульса тяги – 950 ± 50 с;

– средние значения тяги при эрозионных испытаниях на ксеноне с разрядным напряжением 225 В и мощностью (190–200) Вт составили (11.5 ± 0.3) мН, тягового КПД – (0.3 ± 0.05), среднее значение полного удельного импульса тяги 1070 ± 50 с.

Из полученных результатов важнейшим представляется то, что зоны эрозии стенок выходной части разрядной камеры остаются в пределах расширенной части ускорительного канала как при работе на ксеноне, так и при работе на криптоне. Поэтому можно рассчитывать на то, что предусмотренные в конструкции модели СПД-40М запасы на износ стенок могут быть использованы в полной мере. Поэтому ресурс разработанной конструкции двигателя может быть достаточно большим. Действительно, для оценки ресурса двигателя, который может быть разработан на основе модели СПД-40М, можно сопоставить измеренные скорости износа в модели СПД-40М с полученными при ресурсных испытаниях двигателя СПД-100 при близких расширениях выходной части ускорительного канала около 30 градусов на сторону. Как было показано ранее, максимальные значения этих скоростей при работе модели СПД-40М на ксеноне не превышают 6 мкм/ч, а при работе на криптоне – 7 мкм/ч. При ресурсных испытаниях двигателя СПД-100 при расширении выходной части его ускорительного канала из-за их износа примерно на 30 градусов по каждой стенке максимальные скорости износа составляли 3.5–4 мкм/ч [15]. При одинаковых закономерностях износа стенок в СПД-100 и в СПД-40М можно ожидать такого же соотношения скоростей износа и в дальнейшем. Поэтому ожидаемый ресурс двигателя, который может быть создан на основе модели СПД-40М, может составлять не менее половины ресурса двигателя СПД-100, составляющего более 7000 ч. Это позволяет заключить, что ресурс СПД малой мощности на основе модели СПД-40М, работающего на приведенных выше режимах работы может составить не менее 3500 ч.

С учетом возможного эффекта “магнитной защиты” стенок он может быть еще больше [16 ] . Таким образом, представляется возможным заключить, что в результате данной работы созданы предпосылки для обеспечения большого ресурса СПД малой мощности, работающего на ксеноне или криптоне.

К сказанному следует добавить, что достаточно привлекательными являются и тяговые характеристики модели СПД-40М. Так, значения ее тягового КПД и удельного импульса тяги выше, чем у двигателей СПД-50 или СПД-50 М на режимах работы с мощностями не более 200 Вт на ксеноне и 250 Вт на криптоне [8]. Таким образом, в результате выполненного исследования получены обнадеживающие результаты для разработки СПД малой мощности, который может достаточно эффективно и длительно работать на мощности 200 Вт на ксеноне и 250 Вт – на криптоне [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в данной статье результаты свидетельствуют о том, что могут быть созданы достаточно эффективные СПД малой мощности, способные длительно работать при мощностях разряда около 200 Вт на ксеноне и около 250 Вт – на криптоне.