Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 68-75

ВВЕДЕНИЕ

Газоэлектрическая развязка является одним из необходимых компонентов ВЧИД малой мощности, работающих при низких (0.3–0.5 мг/с) и сверхнизких (менее 0.1 мг/с) значениях расхода. В связи с чем, актуальность ее разработки определяется необходимостью создания двигателя в целом. В настоящее время появился целый ряд задач, для решения которых предполагается широкое использование малых космических аппаратов [2]. Высокочастотный ионный двигатель, являясь исполнительным органом системы управления орбитальным движением МКА, позволяет увеличить срок активного существования аппаратов и, как результат, обеспечить более эффективное их использование [3].

В существующих моделях двигателей зарубежного производства узел развязки обычно встроен в днище разрядной камеры, что значительно усложняет конструкцию ГРК и технологию ее изготовления. В высокочастотных ионных двигателях разработки НИИ ПМЭ МАИ предполагается использование ГЭР в виде отдельного изделия. Это позволяет снизить влияние на пробой развязки не только температурного фактора, но и внешних ионизаторов.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Газоэлектрическая развязка предназначена для разделения между собой электрических цепей находящихся под высоким (порядка +1000…+2000 В) и нулевым потенциалом (корпус изделия) и предотвращает возникновение пробоя по газу в системе подачи рабочего тела высокочастотного ионного двигателя. Ее принцип действия основан на создании условий препятствующих возникновению “электронных” лавин в газовой среде внутри корпуса развязки при работе в составе ВЧИД.

Схематично процессы, происходящие в ГЭР при работе в составе ВЧИД, можно описать следующим образом:

– после подачи рабочего тела в объеме ГЭР создается давление р;

– далее подается потенциал на эмиссионный электрод U_ЭЭ;

– после зажигания разряда в ГРК на выходе ГЭР, связанном непосредственно с газовводом камеры, появляется потенциал близкий по значении к U_ЭЭ, при этом внутри ГЭР возникает электрическое поле напряженностью Е ~ U_ЭЭ/d (здесь d – расстояние между входом и выходом ГЭР находящихся под разным потенциалом (рис. 1));

Рис. 1.

Внешний вид ГЭР первого варианта исполнения.

– наличие плазмы в ГРК обуславливает появление внешних ионизаторов – электронов, ионов, заряженных микро и макрочастиц;

– пробой ГЭР не происходит, потому что ее параметры (давление р и расстояние d) соответствуют пробойному напряжению существенно большему чем величина U_ЭЭ, даже при наличии внешних ионизирующих факторов.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Первый вариант ГЭР ВЧИД представлял из себя фторопластовую трубку диаметром 2 мм и длиной 10–15 см (рис. 1).

При ее испытаниях отдельно от ВЧИД, в диапазоне расходов ксенона 0.5–0.1 мг/с и разности потенциалов на ее концах порядка 2000 В, пробоя развязки не наблюдалось. После установки на двигатель, при возникновении разряда в ГРК, пробой этой развязки, в аналогичном диапазоне расходов, визуально наблюдался, начиная с напряжения U_пр ~ 900–600 В. Подобное падение напряжения пробоя есть результат влияния внешних ионизаторов, попадающих во внутреннюю полость развязки из плазмы находящейся в объеме ГРК. Все попытки поднять U_пр путем увеличения соотношения длины диэлектрического участка к его внутреннему диаметру не дали практически никакого результата.

Таким образом, в условиях работы ионного двигателя малой мощности (высокое напряжение, малый расход, наличие внешних ионизаторов), нельзя использовать газоэлектрические развязки традиционного варианта исполнения, поскольку в них имеют место такие параметры среды, при которых мы фактически находимся, на кривой подобной кривой Пашена, в области пробоев (рис. 2) [4]. Чтобы их устранить, необходимо увеличить длину диэлектрической части развязки (d) и давление (p) в ней, то есть сместиться в сторону больших значений произведения pd [5].

Рис. 2.

Вид зависимости закона Пашена.

На втором этапе исследований изучалась работа газоэлектрической развязки обладающей существенным гидросопротивлением, т.е. с повышенным давлением р. Одна из них была с набивкой из стружки титана, а другая – с дроссельным отверстием. Схемы их конструкций приведены на рис. 3 и 4, соответственно.

Рис. 3.

Схема развязки с набивкой.

Рис. 4.

Схема развязки с дроссельным отверстием.

В обоих случаях, при работе в составе двигателя, в диапазоне расходов от 0.1 до 0.5 мг/с при U_ЭЭ = 2000 В, пробоев ГЭР не наблюдалось. Таким образом, основным путем решения проблемы пробоев газоэлектрической развязки, при работе в составе ВЧИД малой мощности, является повышение давления в ней до уровня исключающего возникновения разряда.

Для дальнейших исследований ГЭР ВЧИД была разработана и изготовлена установка, схема которой представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Схема установки для исследований ГЭР.

В состав данной установки входят следующие системы и элементы:

– блоки питания: катода накального типа, ускоряющего и эмиссионного электродов;

– вакуумная камера с системой откачки (до 5 × 10^–5 Торр);

– высокочастотный ионный двигатель (ВЧИД);

– ВЧ-генератор с согласующим устройством;

– газоэлектрическая развязка;

– датчик давления;

– датчик температуры;

– диэлектрическая вставка;

– источник смещения потенциала;

– катод накального типа для поджига разряда во ВЧИД;

– миллиамперметр для измерения тока утечки;

– система подачи расхода ксенона.

Напряжение пробоя газоэлектрической развязки зависит от многих факторов, в частности от материала входящих в ее состав элементов, качества изготовления корпусных деталей (шероховатости поверхности), соотношения длины и диаметра диэлектрической части. Поэтому, для повышения степени однозначности трактовки получаемых результатов и на основании имеющегося опыта испытаний лабораторных газоэлектрических развязок, был разработан базовый вариант конструкции ГЭР. Он являлся основой для создания макетов с разными значениями параметров р и d, которые изготавливались по одной технологии, с использованием одинаковых материалов.

Один из вариантов подобного макета (ГЭР-5) представлен на рис. 6. Газоэлектрическая развязка выполнена в виде блока, представляющего из себя неразборное изделие, с установленным внутри гидросопротивлением. Она состоит из входного 1 и выходного узлов 2, и диэлектрической части 3 длиной 5 см. Уплотнение ГЭР в тракте подачи расхода осуществлялось с помощью ниппельных соединений с медными прокладками. Гидросопротивление было расположено в выходном узле. Внешний вид макета приведен на рис. 7.

Рис. 6.

Схема конструкции макета.

Рис. 7.

Фотография макета ГЭР.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С МАКЕТОМ ГЭР-5

На первом этапе исследований макета ГЭР методика испытаний состояла в следующем:

– сначала определялась зависимость напряжения пробоя от давления газа при отключенном (N_ВЧГ = 0 Вт) и включенном ВЧ-генераторе (N_ВЧГ = 200 Вт) при отсутствии в ГРК ВЧ-разряда (рис. 5);

– затем, зажигался разряд в ГРК и функция U_пр(p) определялась при наличии плазмы (мощность на выходе ВЧ-генератора при этом, как и в предыдущем случае, составляла 200 Вт);

Регистрация пробоя осуществлялась по появлению тока утечки в цепи “вход ГЭР-корпус”.

На графике на рис. 8 приведены полученные результаты.

Рис. 8.

График зависимости напряжения пробоя от произведения давления в ГЭР на расстояние между элементами ее конструкции находящимися под разными потенциалами.

Видно, что величина напряжения пробоя развязки не зависит от наличия ВЧ поля при отсутствии в ГРК ВЧ-разряда. При наличии плазмы в ГРК и мощности ВЧ-генератора 200 Вт, напряжении на эмиссионном электроде до 3000 В, в диапазоне расходов 0.5–0.1 мг/с пробой ГЭР зафиксировать не удалось. Точка на графике с координатами (pd = 225 Торр·см; U_пр = 2800 В) соответствует расходу 0.1 мг/с. При более меньших расходах ксенона ВЧ-разряд в ГРК становится нестабильным и гаснет до достижения пробойного напряжения.

При испытаниях ГЭР также снималась газодинамическая характеристика изделия – зависимость давления внутри развязки от расхода ксенона. Она представлена на рис. 9. Сопоставление полученных графиков на рис. 8 и рис. 9 показывает, что, начиная с давления порядка 25–30 Торр, пробой развязки не происходит даже при 3000 В. Сверху уровень давления в ГЭР ограничивается параметрами используемого регулятора расхода – критическим перепадом давления на нем, при котором расходная характеристика остается неизменной. Таким образом, можно сделать вывод, что для выполнения своего функционального назначения при использовании в составе ВЧИД малой мощности, при напряжениях уровня 2000 В, газоэлектрическая развязка длиной ~5 см должна иметь гидросопротивление, обеспечивающее создание в ГЭР давления выше 30 Торр.

Рис. 9.

График зависимости давления внутри развязки от расхода ксенона.

В дальнейшем предполагается продолжить эти исследования при более меньших значениях произведения pd снизив величину гидросопротивления. При этом планируется более детально изучить влияние на напряжение пробоя не только мощности ВЧ-поля и наличия ВЧ-разряда, но и температуры развязки и ее положения относительно корпуса ГРК.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЭР

На основании проведенных исследований газоэлектрических развязок различного исполнения даны рекомендации по конструкции ГЭР модульного исполнения, применяющихся в ионных двигателях малой мощности, работающих при уровне напряжений до 2000 В. При этом газоэлектрическая развязка длиной ~5 см должна иметь гидросопротивление, обеспечивающее создание в ГЭР давления выше 30 Торр.

Установлено,что величина напряжения пробоя развязки не зависит от наличия ВЧ поля при отсутствии в ГРК ВЧ-разряда.

Определены направления дальнейших исследований ГЭР.

Полученные результаты испытаний лабораторных образцов и макета развязки могут быть использованы при разработке штатных образцов ГЭР.