Курсоваяработа
Потеме:
"Электрические ракетныеионные двигатели"
Общая теория электрических ракетных двигателей (ЭРД)
Общие принципы ЭРД
Основоположник космонавтики К.Э. Циолковский впервые в 1911 г.высказал мысль, что с помощью электричества можно придавать громадную скоростьчастицам, выбрасываемым из реактивного прибора. Позже класс двигателей,основанных на этом принципе, стали называть электрическими ракетнымидвигателями [10]. Однако до сих пор не существует общепринятого и вполнеоднозначного определения ЭРД.
В Физическом энциклопедическом словаре ЭРД – это ракетныйдвигатель, в котором рабочим телом служит ионизированный газ (плазма),ускоряемый преимущественно электромагнитными полями; в энциклопедии «Космонавтика»– это двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тягииспользуется электрическая энергия, вырабатываемая бортовой энергоустановкойкосмического аппарата, в Политехническом словаре приводится третий вариантопределения ЭРД: это реактивный двигатель, в котором рабочее тело разгоняетсядо высоких скоростей с использованием электрической энергии.
Наиболее логично электрическими ракетными двигателями называтьдвигатели, в которых для разгона рабочего тела используется электрическаяэнергия, причем источник энергии может находиться как на борту космическогоаппарата (КА), так и вне его. В последнем случае энергия либо непосредственноподводится к ускоряющей системе от внешнего источника, либо передается на КА спомощью сфокусированного пучка электромагнитного излучения.
Такого взгляда на ЭРД придерживались и пионеры космонавтики – Ю.В. Кондратюк,Г. Оберт, Ф.А. Цандер, В.П. Глушко. В работе Ю.В. Кондратюка1рассматривался КА, на который падает сконцентрированный луч света, иэлектрический реактивный двигатель, основанный на электростатическом ускорениикрупных заряженных частиц, например, графитового порошка. В той же работеуказаны конкретные способы повышения эффективности электродинамическогоускорителя массы (ЭДУМ) в применении плазменного контакта и разгона в вакууме.В 1929 г. Г. Оберт2 описал ионный двигатель. В 1929–1931 гг.впервые был создан и испытан в лаборатории импульсный электротермический ЭРД,автором которого является основоположник ракетного двигателестроения В.П. Глушко.Им же был предложен и сам термин «электрический ракетный двигатель».
Однако дальнейшего развития в тот период работы по ЭРД не получилииз-за отсутствия легких и эффективных источников энергии. Эти работы быливозобновлены в СССР и за рубежом после запуска в нашей стране в 1957 г.первого искусственного спутника Земли и первого полета в космос в 1961 г.человека – гражданина СССР Ю.А. Гагарина. В эти годы по инициативе С.П. Королеваи И.В. Курчатова была принята, комплексная программанаучно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по ЭРД разных типов.Одновременно были развернуты работы по созданию эффективных источников энергиидля КА (солнечные батареи, химические аккумуляторы, топливные элементы, ядерныереакторы, радиоизотопные источники). Основное направление исследований,сформулированных в этой программе, состояло в разработке научных основ исоздании высокоэффективных образцов ЭРД, предназначенных для решения задачпромышленного освоения околоземного космического пространства и обеспечениянаучных исследований Солнечной системы.
Наиболее важное значение для формирования современной теории ЭРДимели следующие научно-технические идеи.
Принцип электродинамического ускорения, предложенный в 1957 г.Л.А. Арцимовичем и его сотрудниками [2], был положен в основу ускорителейразных классов – импульсных ЭРД на газообразном и твердом рабочем веществе,стационарных сильноточных ЭРД.
Принцип бездиссипативного ускорения ионов в замагниченной плазмесамосогласованным электрическим полем. Этот механизм реализуется в плазменныхдвигателях с азимутальным дрейфом электронов, в торцевых холловских двигателях,в определенной степени в импульсных двигателях с электромагнитным разгономплазмы. В наиболее последовательной форме этот метод ускорения реализован вдвигателе с анодным слоем (ДАС) – оптимальном варианте двигателей сазимутальным дрейфом электронов. В первоначальной форме идея ДАС быласформулирована А.В. Жариновым в конце 50-х годов; позже на основе этойидеи, дополненной рядом изобретений, были разработаны высокоэффективные двух- иодноступенчатые двигатели с азимутальным дрейфом.
В США Г. Кауфман предложил принцип плазменно-ионногодвигателя (ПИД), в котором ионы также разгоняются продольным электрическимполем, однако в отличие от ДАС они предварительно вытягиваются из плазменногоразряда с электронами, осциллирующими в продольном магнитном поле.Плазменно-ионный двигатель обладает высоким КПД и ресурсом, но проигрывает ДАСв универсальности и диапазоне регулирования рабочих характеристик.
В связи с проводившимися в последние годы проектнымиисследованиями космических солнечных электростанций возродился интерес к схемамЭРД с подводом энергии от внешнего источника. Развивая идеи К.Э. Циолковскогои Ю.В. Кондратюка, Г.И. Бабат1 в 1943 г. предложилиспользовать энергию, передаваемую на летательный аппарат в виде хорошосфокусированного пучка СВЧ-излучения с земли или космического аппарата. В 1971 г.А. Кантровиц для тех же целей рассматривал лазерное излучение.
В 1975 г. Дж О'Нейл предложил использоватьэлектродинамический ускоритель массы (ЭДУМ) для транспортировки в космос споверхности Луны материалов, предназначенных для строительства космическихсолнечных электростанций. Очевидно, эти проекты ориентированы на решение задачотдаленной перспективы, строительства орбитальных объектов околоземнойэнергопроизводственной инфраструктуры.
Особенности двигательных установок с малой тягой
Разделение в ЭРД источника энергии и рабочего вещества позволяетпреодолеть ограничение, присущее химическим двигателям, – относительноневысокую скорость истечения. Но, с другой стороны, если используется бортовойисточник энергии, неизбежно возникает другое ограничение – сравнительно малаятяга. Поэтому, если не рассматривать пока особых случаев, например, световыхдвигателей, ЭРД следует отнести к классу двигателей малой тяги, которыеспособны обеспечить лишь небольшое ускорение, а потому пригодны дан выполненияразличных транспортных операций непосредственно в космическом пространстве.ЭРД, как правило, – это космические ракетные двигатели малой тяги.
Если, например, двигатель развивает тягу 10 Н,; масса КА 10 т, тосоздаваемое им ускорение составит 10» 3 м/с2, т.е.примерно 10» 4g0 (go– ускорение свободного паденияна поверхности Земли). Разумеется, такой двигатель не пригоден для выведениякосмических аппаратов с Земли на орбиты искусственных спутников.
Эта ситуация может измениться, когда будут соз1аны эффективныелазерные двигатели или электродинамические ускорители массы, отличительнаяособенность которых состоит в том, что источник энергии не обязательнонаходится на борту КА. В этом случае должно говорить об ЭРД, которыйобеспечивает высокую скорость истечения и большое ускорение одновременно.
Чтобы выявить другие специфические особенности ЭРД как космическихдвигателей, рассмотрим задачу перехода между двумя околоземными круговымиорбитами. Обратимся к уравнению Циолковского(1.1) (1.1)
/> (1.1)
где и' и v – приращение скорости КА и скоростьистечения рабочего вещества соответственно; Мо – начальнаямасса КА; Мк = Мо – mt– масса К А на конечнойорбите. Здесь t– время перехода междуорбитами; т – расход массы рабочего вещества. Из (1.1) приращениескорости
/> (1.2)
Изменениекинетической энергии КА при полете происходит со скоростью
/>
Послеподстановки значения w в последнее выражение из формулы 1.2
Получаем
/> (1.3)
/> (1.5)
Траекторияперехода между двумя круговыми орбитами имеет вид разворачивающейся спирали.При полете в гравитационном поле Земли вследствие работы двигательной установкипроисходит превращение тяги ЭРД постоянно совпадает по направлению со скоростьюКА; сила тяготения при этом всегда перпендикулярна вектору скорости.
Потенциальная энергия КА при его движении по круговой траектории вцентральном поле Земли равна
/>
где М и Мз – масса КА и Земли соответственно; у –гравитационная постоянная.
Обозначая радиус начальной круговой орбиты через Ro, а конечной – через R, потенциальную энергию К Апри переходе между этими орбитами определяем по формуле
/> (1.6)
Когда двигатель малой тяги работает непрерывно, происходитпостоянное превращение кинетической энергии в потенциальную. Приравнивая наэтом основании выражения (1.5) и (1.6), находим
/> (1.7)
а время перелета
/> (1.8)
На рис. 1.1для сравнения показаны соответствующие зависимости для двух типов двигательныхустановок – с большой и малой тягой соответственно, В случае малой тягивеличина Мк/М0оказывается в несколько раз больше,время перелета при этом, однако, значительно увеличивается. Это отличает ЭРД отдругих типов ракетных двигателей.
Наличие в составе электроракетной двигательной установки (ЭРДУ)кроме двигателя также и источника энергии приводит к тому, что этот типдвигательных установок характеризуется еще одной важной отличительнойособенностью – существованием оптимальной скорости истечения. Покажем это.
/>
Рис. 1.1. Зависимость относительной массы транспортногокорабля
от удельного импульса при переходе на геостационарную орбиту:
1 – двигатели большой тяги; 2 –двигатели малой тяги
/>
Начальной масса КА – на исходной орбите складывается из массыполезной нагрузки М\, массы бортовой энергоустановки М2, массырабочего вещества М3и массы ЭРД М4 (ускоритель,система подачи рабочего вещества, узлы крепления и т.д.):(1.9)
М2+ Мъ+ М4.
Если тяга двигателя остается постоянной в течение всего времениперелета t, то массу рабочего тела можноопределить по формуле
M3=Ft/v, (1.11)
а массу ЭРД – по формуле
М4 = аМ3.
Объединяя (1.9) – (1.11),
массу КА на начальной околоземной орбите определяем из выражения
/>Произведя дифференцирование, находим оптимальное значениескорости, соответствующее при заданной массе полезной нагрузки М\ минимальномузначению стартовой массы Мо:
/> (1.12)
Например,при />
Подводя итоги, сформулируем еще раз основные отличительныеособенности ЭРД как самостоятельного класса космических двигателей: разделениеисточника энергии и рабочего вещества, возможность получения высоких скоростейистечения, малая величина ускорений, длительное время перелета прииспользовании ЭРД в качестве маршевых двигателей, оптимальная скоростьистечения.
Рабочие характеристики ЭРД
Тяга двигателя в случае постоянного расхода равна
/>
Электрические ракетные двигатели и перспективные двигательные установкидругих типов
Электрические ракетные двигателя представляют собой чрезвычайногибкие системы, рабочие процессы в которых весьма чувствительны Даже кнебольшому изменению параметров. В ЭРД различных типов в зависимости от поставленнойконкретной задачи могут по-разному сочетаться различные механизмы ускорениярабочего вещества. Поэтому разработчики ЭРД должны иметь ясные представления обэффективных способах организации рабочих процессов и научиться творческииспользовать их при решении конкретных задач.
Укажем лишь основные классы ЭРД, рабочие процессы в которыхразличаются принципиальным образом.
1.Ионные, илиэлектростатические, ЭРД.
2.Двигатели с азимутальнымдрейфом электронов.
3.Сильноточные двигатели.
4. Теплообменные электрические ракетные двигатели.
В соответствии с этим делением и построены следующие разделыкниги.
Остановимся на анализе вопроса, какое место могут занять двигателиэтого типа среди других перспективных ракетных двигателей.
Химический двигатель, работающий на кислородно-водородном топливе,обеспечивает скорость истечения до 4,69–103 м/с. Наиболеевысокоэнергетическое топливо фтор-водород обладает удельной энергией 12,9кДж/г, что соответствует скорости истечения 5,41–103 м/с.
Еще более высокие скорости истечения можно получить, еслииспользовать в качестве топлива ракетных двигателей свободные радикалы иметастабильное горючее. Например, рекомбинация атомарного водорода в состоянииобеспечить удельную энергию W= 218 кДж/г и соответственноскорость vK = 2,17–104 м/с, распад трехатомного гелия – энергию W= 478 кДж/г и скорость vK = 3,22 – Ю4 м/с. Однако чтобы обеспечитьполучение, хранение и управление реакцией горения этих перспективных топлив,потребуется решить ряд чрезвычайно трудных технических проблем. Например,атомарный водород необходимо хранить в матрице из твердого водорода притемпературе 0,2 К в магнитном поле с индукцией 3 Тл [7].
Твердофазные ядерные энергоустановки могут работать притемпературах до 2400–2500 °С, что при использовании водорода в качестверабочего вещества обеспечит скорость истечения до 9,2–104 м/с. Ещеболее высокую скорость истечения – до 1,5–104 – 6,1–104м/с, можно будет получить, перейдя к ядерным двигателям с газофазной активнойзоной.
Следующий крупный шаг в этом направлении будет связан с созданиемракетных двигателей, работающих на реакции термоядерного синтеза (W= 4,2–108 кДж/г, v к = 3-Ю7 м/с).
Следует заметить, что разработка рассмотренных здесь перспективныхракетных двигателей потребует намного больших усилий, чем это было в случаеЭРД. Электрические ракетные двигатели могут работать в составе бортовыхэнергодвигательных установок, использующих солнечные батареи или ядерныереакторы. Солнечные или ядерные двигательные установки с ЭРД имеют удельнуюмассу 10 – 50 кг/кВт и обеспечивают скорости истечения в весьма широкомдиапазоне значений (103 – 10s м/с) при достаточно высокомКПД, Весьма широк также диапазон значений тяги, которой могут обладать ЭРД. Всеэто обеспечивает такому типу двигателей особое место среди всех перспективныхракетных двигателей. Есть поэтому основания ожидать, что в течение ближайших 10–20лет ЭРД будут широко использоваться при решении различных задач, направленныхна индустриальное освоение околоземного космического пространства,
Большие успехи, достигнутые в разработке современныхвысокоэффективных и экономичных ЭРД разных классов, стали возможными благодаряинтенсивным исследованиям, проектным разработкам и натурным испытаниям, которыеактивно проводились в течение 25 – 30 лет в СССР и за рубежом. Следует особовыделить исследования, выполненные при участии и под руководством A.M. Андрианова, Н.В, Белана, В.И. Гаркуши,B.C. Ерофеева, А.В. Жаринова, В.М. Иевлева,А.В. Квас-никова, Н.П. Козлова, Л.А. Латышева, Е.А. Ляпина,А.И. Морозова, П.М. Морозова, И.Н. Острецова, А.А. Поротникова,В.В. Савичева, Д.Д. Севрука, Р.К. Снарского, Н.А. Хижняка, В.А. Храброва.
Ионные двигатели
Ионный двигатель и его основные элементы
Ионные двигатели составляют один из основных классовэлектростатических двигателей. Как уже отмечалось, принципиальной особенностьюэлектростатических двигателей по сравнению с магнитоплазменными является то,что в электростатических двигателях разгон тяжелых одноименно заряженных частицосуществляется в продольном постоянном электрическом поле, создаваемом внешнимиисточниками, в условиях воздействия пространственного заряда ускоряемых частиц.Поэтому в электростатических двигателях возможная плотность тока ограничена, еепредельное значение определяется известным законом Ленгмюра – Богуславского(законом «трех вторых»):
/>
/>
Рис. 2,3. Ионно-оптическая система экспериментального ионного двигателя с газоразрядным источником:
1 – формирующий электрод; 2 – ускоряющий электрод; 3 – замедляющийэлектрод; 4, 5, 6 – кварцевые державка; 7 – металлические обоймы; 8^ 10 – винты;9 – передняя крышка разрядной камеры; 11 – плита; 12, 13 – вкладыши,обеспечивающие зазор между электродами
/>
Рис. 2.4. Ионно-оптическая: система экспериментального ионного двигателя с контактным источником:
1 – участок ионизатора без пор; 2 – пористая цилиндрическаяканавка; 3 – ускоряющий электрод; 4 – замедляющий электрод
В ионных двигателях с пористыми контактными источниками
формирующим электродом является нагретый пористый ионизатор
(рис. 2.4). Его внешняя поверхность обычно образуется чередованием
плоских участков, лишенных пор, и пористых цилиндрических канавок,
Ускоряющий и замедляющий электроды располагаются против плоских
участков, лишенных пор.
Из ускоряющей системы ионного двигателя в окружающее пространствоистекают интенсивные пучки ускоренных ионов. В условиях космическогопространства (глубокий вакуум, отсутствие внешний электрических полей)непрерывное истечение ионов невозможно без компенсации ионного тока равным емуэлектронным током. Такая. компенсация необходима для сохранения электрическогопотенциала; космического аппарата близким к потенциалу окружающегопространства. Если ионный ток превосходит электронный, го потенциалкосмического аппарата быстро нарастает. Рассмотрим, например, космическийаппарат, представляющий собой шар радиусом 1 м, электрической емкостьюоколо 10 10 Ф. Пусть ионный ток, истекающий в окружающеепространство, превышает электронный всего лишь на 0,001 А. Нетрудноподсчитать, что уже через 0,01 с космический аппарат зарядится отрицательнымпотенциалом 10s В относительно окружающего пространства, Возникающее при этомтормозящее ионы электрическое поле вызовет их обратное движение к аппарату.
Однако для нормальной работы ионных двигателей одной толькотоковой компенсации недостаточно. Необходимо, чтобы электроны вводились вистекающие ионные пучки на выходе из ионно-оптической системы и компенсировалиих пространственный заряд. В пучке с пространственным зарядом,распространяющимся в вакууме при отсутствии внешних полей, возникают локальныеэлектрические поля, приводящие к замедлению ионов и образованию областей санодным потенциалом (виртуальных анодов), нарушающих истечение ионов вокружающее пространство.
Для компенсации тока и пространственного заряда истекающих ионовслужат источники электронов – нейтрализаторы. Наиболее эффективными являютсяплазменные нейтрализаторы и нейтрализаторы на основе полого катода, размещаемыена выходе из ионно-оптической системы.
Основные требования к ионным источникам для электрических ракетных двигателей и показатели ихэффективности
Ионные источники для электрических ракетных двигателей должныУдовлетворять комплексу требований, обусловленных сложными условиямидлительного космического полета. Наиболее важное значение приобретают в этомслучае энергетическая эффективность источника, полнота использования массырабочего вещества, конструктивный ресурс и надежность. Ионный источник долженвыдерживать линейные и вибрационные перегрузки при выведении на орбиту, бытьработоспособным в условиях космического вакуума и воздействия метеоритов иИзлучений.
Показателем энергетической эффективности ионного источника являетсяэнергетическая цена иона q в пучке (или ускоренного иона), которая представляет собойотношение мощности N, потребляемой Ионнымисточником, к количеству ионов n, поступающих в ускоряющуюсистему за единицу времени.
Энергетическая цена ионов в пучке является одной из основныхвеличин, определяющих энергетический КПД ионного двигателя. Энергия,затрачиваемая на ускорение иона в электростатической ускоряющей системе, равна eU(U– ускоряющая разностьпотенциалов
Другим важным показателем эффективности ионного источника являетсякоэффициент использования массы, равный отношению массового расхода ионов изисточника в ускоряющую систему т, – к полному массовому расходу рабочеговещества через источник т:
/>
Доля рабочего вещества, равная 1 – Т)т,поступает в ионно-оптическую систему в виде нейтральных атомов с тепловымискоростями порядка 103 м/с. Истечение нейтральных атомов не толькоприводит к малоэффективному использованию рабочего вещества и снижениюэкономичности двигателя, но и является основной причиной разрушения ускоряющегоэлектрода ионно-оптической системы при длительной работе двигателя. Кроме того,нейтральные атомы могут конденсироваться и накапливаться на элементах ионногоисточника и электродах ионно-оптической системы, вызывая при этом паразитныетоки и электрические пробои. Поэтому при создании ионных источников стремятсяполучить возможно более высокие значения коэффициента использования массы. Влучших ионных источниках для ЭРД тт = 0,9… 0,95. Если полный расходрабочего вещества выразить в токовых единицах (А), то КПД тт можноопределить по формуле
Контактные ионные источники
Как уже говорилось, в контактных ионных источниках образованиеионов происходит в результате поверхностной ионизации. В ионных электрическихракетных двигателях применяются контактные ионные источники с пористымионизатором. Пористые ионизаторы изготавливаются различными способами,например, тонкие каналы-поры могут быть пробиты лазерным или электрическимлучом. В качестве ионизатора может быть использована многослойная сетка,сплетенная из тонких металлических нитей, а также совокупность параллельнорасположенных проволочек. Однако наибольшее распространение получили пористыеионизаторы, изготовленные из мелкозернистого порошка тугоплавких металловпрессованием и последующим спеканием.
Начиная с 60-х годов проводятся теоретические и экспериментальныеисследования поверхностной ионизации в пористых средах, разрабатываются моделипроцессов в порах с целью обоснования методов расчета и выбора оптимальныхструктур пористых ионизаторов. Теория пористых ионизаторов строится какнепосредственное Продолжение и развитие основных представлений о поверхностнойионизации на гладких поверхностях.
Количественной характеристикой поверхностной ионизации вконтактных ионных источниках является коэффициент поверхностной ионизации /3,представляющий собой отношение числа ионов «г-, испаряющихся сединицы поверхности в единицу времени, к числу атомов п, поступаю-ИИ наединицу поверхности за то же время:
/>
Очевидно,ионизаторы контактных источников целесообразно изготовлять из металлов, имеющихвозможно больший потенциал выхода электрона и обладающих способностью длительноработать в условиях вакуума при температурах до 1200–1500 К. Такимисвойствами обладают тугоплавкие металлы, например, вольфрам, молибден, тантал,рений. Наиболее известны ионизаторы из вольфрама (Ф = 4,54 В) и молибдена (Ф =4,2 В). Большими значениями потенциала выхода электрона обладают рений (4,9 В)и платина (5,4 В).
В качестве рабочего вещества в ионных двигателях обычноиспользуются однозарядные ионы, и Uiпредставляет собой первыйионизационный потенциал. Известно, что наименьшими первыми ионизационнымипотенциалами обладают щелочные металлы: цезий (3,89 В), рубидий (4,18 В), калий(4,34 В), натрий (5,14 В), литий (5,39 В). Наиболее подходящим рабочимвеществом для ионных двигателей с контактным источником является цезий, которыйобладает наименьшим потенциалом ионизации и наибольшим атомным весом средищелочных металлов, что позволяет достигнуть больших значений коэффициентаионизации и плотности тяги двигателя.
Для адсорбированного атома щелочного металла характерны триквантовых состояния: ионное и два атомных, соответствующих двум противоположнымориентациям спина валентного электрона. Отношение статистических весов атомногои ионного состояний адсорбированного атома щелочных металлов равно двум, иуравнение Саха–Ленгмюра для коэффициента поверхностной ионизации принимает вид
/>При выборе пары материал ионизатора – рабочее вещество необходимо,конечно, учитывать и другие важные факторы, такие как совместимость (отсутствиехимического взаимодействия во всем температурном диапазоне работы источника),стойкость в процессе длительной эксплуатации в космических условиях,технологичность, возможность получения достаточно больших ионных токов и др.
Эффективность поверхностной ионизации определяется не толькоразностью между потенциалом ионизации атомов и работой выхода электрона, но итемпературой поверхности. Зависимость коэффициента поверхностной ионизации оттемпературы поверхности носит своеобразный характер. Особенностью поверхностнойионизации является существование узкого интервала температур, в которомкоэффициент поверхностной ионизации скачкообразно возрастает от малых значенийдо значений, близких к единице, и далее с повышением температуры изменяетсянезначительно.
Поверхностная ионизация является «пороговым» процессом.Температура, при которой наблюдается резкое возрастание коэффициента поверхностнойионизации, называется пороговой температурой. Здесь подробно не рассматриваютсяпроцессы, объясняющие эту особенность поверхностной ионизации. Отметим только,что она связана с нелинейным характером температурной зависимости покрытияповерхности атомами рабочего вещества и с зависимостью от покрытия потенциалавыхода электрона.
Характеристикойпокрытия поверхности атомами является степень покрытия в, представляющаясобой отношение поверхностной Плотности адсорбированных атомов Sк поверхностной Плотности So, соответствующей образованию плотного моноатомного покрытия.
/>
Сравнивая работу выхода вольфрама при разных значениях степенипокрытия с потенциалом ионизации цезия, находим, что уже при в = = 0,09 Uj– Ф = 0 и /3 «0,3, что недопустимо для ионных источниковэлектроракетных двигателей. Последние должны работать при степени покрытияпорядка 0,01.
Пороговая температура поверхностной ионизации зависит от плотностипотока атомов к ионизирующей поверхности, поскольку при данной температуреповерхности поток атомов определяет степень покрытия. Для ионизации цезия навольфраме соотношение между пороговой температурой и плотностью потока атомовимеет вид
Уравнение Саха–Ленгмюра получено в предположении, что уионизирующей поверхности отсутствует внешнее электрическое поле. При приложениивнешнего электрического поля, ускоряющего положительные ионы, сила притяженияиона к металлу уменьшается на eEl4ire0 (Е – напряженность внешнего электрического поля). Так как ионудерживается на металлической поверхности силой электрического изображения, тоуменьшение работы, совершаемой при удалении иона от поверхности набесконечность, в условиях внешнего электрического поля выражается формулой,аналогичной формуле Шоттки для термоэлектронной эмиссии:
Поры таких ионизаторов представляют собой переплетенные извилистыеканалы с переменным поперечным сечением сложной формы. При теоретическоманализе процессов в пористом ионизаторе рассматривается упрощенная модель егопористой структуры. Предполагается, что поры имеют форму длинных цилиндрическихканалов (капилляров) постоянного сечения. В работе [23] рассматриваются поры ввиде аксиально-симметричных каналов с плавно изменяющимся радиусом.
Для описания пористой структуры контактных ионных источников обычноиспользуются следующие параметры: средний диаметр пор, плотность распределенияпор по диаметрам, среднее расстояние между краями пор (или среднее число пор,приходящееся на единицу площади) и открытая пористость (отношение суммарнойплощади пор на внешней поверхности ионизатора к полной площади ионизатора). Этипараметры определяются при изучении пористой структуры с помощьюокулярного микроскопа.
/>
На рис. 2.7приведены типичные экспериментальные зависимости плотности ионного тока оттемпературы для пористых ионизаторов (материал ионизатора – вольфрам, рабочеевещество – цезий) при различных значениях расхода рабочего вещества. Там жепредставлена зависимость /, (Г) для сплошного ионизатора. Из рисунка следует,что для пористых ионизаторов зависимость плотности ионного тока от температурыионизатора имеет тот же вид, что и для сплошных ионизаторов. Однако пороговые температурыдля пористых ионизаторов
На рис 2.8 представлены экспериментальные зависимости относительногопотока атомов njn(и = иа + Щ – суммарныйпоток атомов и ионов) от температуры ионизатора Т при тех же значенияхрасхода цезия, что и на рис. 2.7. Из рисунка следует, что доля атомов вобщем потоке частиц из пористого ионизатора резко уменьшается при температурахвыше 1050 °С и в области оптимальных температур составляет 1 – 4%.Отметим, что с ростом расхода пара рабочего вещества через нейтрализатор долянейтральных атомов возрастает.
Экспериментальные кривые /. (Г) и иа(Г), построенныедля нескольких значений расхода цезия, являются основными характеристикамипористых ионизаторов. Они позволяют выбрать оптимальный рабочий режимконтактных ионных источников и определить их характеристики.
Результаты экспериментальных исследований пористых ионизаторовпоказали, что наилучшими показателями обладают образцы, изготовленные извольфрамового порошка с небольшим разбросом диаметров сферических зерен.Плотность ионного тока, генерируемого такими источниками, может достигать 50 – 100мА/см.
Физическаякартина процессов в пористых ионизаторах весьма сложна, и существующиетеоретические представления не позволяют описать ее в целом. Отдельныефрагменты теории пористых ионизаторов рассматриваются в ряде работ, например[25]. Объем книги не позволяет останавливаться на изложении современныхтеоретических представлений. Да и контактные ионные источники в последние годыне находят практического применения в работах по электроракетным двигателям.Наибольшее внимание уделяется сейчас газоразрядным ионным источникам
Ионный источник на основе разряда с осциллирующими электронами
К началу интенсивных исследований в области ЭРД (шестидесятые годынашего века) были разработаны газоразрядные ионные источники для наземныхфизических и технологических установок: ускорителей заряженных частиц,масс-спектрометров, установок для разделения изотопов, протонных микроскопов идругих устройств. Среди них наиболее высокими показателями обладалидуоплазматрон и источник на основе прямой дуги. Естественно, прежде всего былирассмотрены возможности применения этих источников в ЭРД.
Устройство дуоплазматрона схематически показано на рис. 2.9.Между катодом 1 и анодом 2 зажигается низковольтный дуговой разряд, на путикоторого расположен вспомогательный электрод 3 с отверстием небольшого диаметра(капилляром), находящийся под промежуточным потенциалом. Электроды 2 и 3являются одновременно полюсами магнита, и в зазоре между ними создается сильноемагнитное поле бочкообразной конфигурации. Совместное механическое и магнитноесжатие дуги приводит к ее концентрации в малом объеме, где происходитинтенсивная ионизация рабочего вещества, подаваемого через вспомогательныйэлектрод, и образуется плотная плазма. Для дуоплазматрона характерны высокиеплотности ионного тока (до 100 А/см2 в плоскости анодного отверстия)при сравнительно небольших полных токах (до 250 мА). Коэффициент использованиярабочего вещества при этом может достигать 0,95.
Непосредственное использование дуоплазматрона и ЭРД непредставляется возможным, так как плотность создаваемого им ионного тока надва-три порядка выше той, которая в соответствии с закономЛенгмюра-Богуславского может быть реализована в ионно-оптической системе ЭРД,где ускоряющее напряжение составляет обычно не более 104 – 105В, исходя из условия получения оптимальной скорости истечения рабочего вещества50 – 100 км/с.
/>
Рис. 2.9. Дуоплазматрон:
1 – катод; 2 – анод; 3 – вспомогательный электрод
Если же для устранения указанного несоответствия плотность ионноготока в дуоплазматроне уменьшить на один-два порядка, то это при – ведет ксущественному снижению его энергетической эффективности и коэффициентаиспользования рабочего вещества. Недостатки дуоплазматрона в случае примененияв ЭРД – также малая относительная площадь ионного пучка (сечение ионного пучка,отнесенное к поперечному сечению дуоплазматрона) и наличие магнитопровода,нагреваемого дуговым разрядом.
В ионном источнике на основе прямой дуги (рис. 2.10) рабочеевещество ионизируется в цилиндрической разрядной камере 1, помещенной впродольное магнитное поле напряженностью в несколько килоэрстед (направлениеполя указано стрелкой 2). В торцах разрядной камеры размещаются термокатод 3 ианод 5. Термокатод в виде парал-лепипеда иди цилиндра (обычно из вольфрама)нагревается электронами, эмитируемыми проволочным катодом 4. Стенки разряднойкамеры поддерживаются, как правило, под потенциалом анода. В передней стенкекамеры имеется несколько щелей 6 для извлечения ионов, а с диаметральнопротивоположной стороны располагается газораспределитель 7, через которыйрабочий газ подается в камеру.
Электрический разряд в источнике представляет собой так называемуюпрямую дугу. Электроны, эмитируемые катодом и ускоренные в катодном слое разряда,замагничены (и>ете > 1) и движутся вдольразрядной камеры, проходя в среднем путь порядка ее длины, после чего попадаютна анод. Эти первичные электроны в основном и ионизируют атомы рабочеговещества. Образующиеся ионы при используемых в источнике магнитных поляхоказываются незамагниченными (со^т;
Рассматриваемый ионный источник по своим геометрическим параметрами по плотности генерируемого ионного тока удовлетворяет требованиям ЭРД. Однакоего недостатком в случае применения в ЭРД является низкая энергетическаяэффективность.
Оценим энергетическую цену ускоренного иона с, – в ионномисточнике на основе прямой дуги. Положим, что ионизацию производят толькопервичные электроны и что образующиеся ионы р изотропно. При этом ионный ток,генерируемый /; — источником, определяется по формуле
/>
где 1е0– ток первичных электронов; So– площадь эмиссионных отверстий; иа – средняя плотностьатомов в разрядной камере; Qt– сечение ионизации; L– длина разрядной камеры; Sn– полная площадь боковойповерхности источника.
Энергетическая цена ускоренного иона
/>
Разрядныйток в прямой дуге можно принять равным току первичных электронов
/>
Для ионного источника на основе прямой дуги характерны следующиесредние величины, входящие в формулу (2.17) Фа« = 30 В; «а= = 5–10» м'3, Qi= 2–10»20 м2,L= 0,1 м, SJS= 10. Находим
/>
Это значение почти на порядок больше, чем требуемое для ЭРД.Низкая энергетическая эффективность ионного источника на основе прямой дугиобъясняется тем, что в этом источнике сталкивается с атомами и совершаетионизацию лишь сравнительно небольшая доля первичных электронов. Так, приуказанных выше значениях длина свободного пробега первичных электронов равнаодному метру и на порядок превышает расстояние между анодом и катодом. Врезультате только около 14% первичных электронов совершает ионизацию., Другим недостаткомрассматриваемого ионного источника, как элемента ЭРД, является применение в неммагнитного поля килоэрстедного диапазона, что усложняет конструкцию иэксплуатацию двигателя.
Таким образом, проведенный анализ показал, что разработанные кначалу 60-х годов ионные источники наземных установок не могли бытьнепосредственно использованы в ЭРД, Однако некоторые физические принципы итехнические решения, реализованные в наземных Источниках, целесообразно былоиспользовать и в ЭРД.
Газоразрядные ионные источники для ЭРД должны иметь возможно болеенизкую энергетическую цену иона в пучке, создавая ионный ток, плотностькоторого соответствует пропускной способности ионнооптической системы призаданной скорости истечения ионов. Чтобы получить низкую цену иона,целесообразно применять газоразрядные системы, в которых длина свободногопробега первичных электронов до их столкновения с атомами или попадания на анодсущественно превышает длину межэлектродного промежутка. В таких системахэффективность использования первичных электронов, производящих ионизацию,существенно повышается по сравнению, например, с источниками на основе прямойдуги, и энергетическая цена иона в пучке снижается.
К настоящему времени наиболее изучен ионный источник на основеразряда с осциллирующими электронами, предложенный Г. Кауфманом. Рассматриваетсятакже ионный источник с катодной разрядной камерой и малой относительнойплощадью анода [10].
Ионный источник с осциллирующими электронами и извлечением ионногопучка вдоль магнитного поля схематически изображен на рис. 2.1. Вцилиндрической разрядной камере 3 размещается проволочный катод 1 (всовременных конструкциях применяется также полый катод) и цилиндрический анод2. Торцевые крышки камеры (формирующий электрод 5 и парораспределитель) и еецилиндрические стенки поддерживаются под катодным потенциалом. С помощьюкатушки 4 электромагнита в разрядном объеме создается осевое магнитное поленапряженностью в несколько десятков эрстед.
Первичные электроны, эмитируемые катодом 1, расположенным вблизиоси камеры, и ускоренные в прикатодном слое разряда, движутся в разрядномобъеме по спиральным траекториям, отражаясь от торцовых поверхностей, имеющихкатодный потенциал (осциллируют в разрядном объеме). Величина магнитного полявыбирается такой, чтобы прямой уход первичных электронов на анод, имеющийбольшую поверхность по наиболее короткому пути между катодом и анодом, былисключен. Это условие выполняется, если ларморовский радиус первичногоэлектрона меньше радиуса разрядной камеры.
В рассматриваемом источнике разрядное напряжение выбирается изусловия, чтобы энергетическая цена ионообразования была минимальной и ионыобладали небольшой энергией, при которой катодное распыление элементовисточника было бы минимальным. Разрядная камера должна иметь длину, достаточнуюдля ионизации с высокой вероятностью атомов рабочего вещества, пролетающихразрядный объём. В описанных в литературе источниках разрядное напряжение принималосьравным 20 – 50 В в зависимости от характеристик рабочего вещества, а длина – 0,5– 1,0 диаметра камеры.
Наряду с ионным источником со слабым магнитным полем (типаисточника, предложенного Г. Кауфманом) рассматриваются источники с сильнымпериферийным магнитным полем, так называемой зубчатой конфигурации (рис. 2.11).Вдоль боковой цилиндрической поверхности Устанавливается несколько рядовпостоянных магнитов, изготовленных, например, из самарий-кобальтового сплава.Соседние магниты обращены в камеру разными полюсами, в результате чего вдольцилиндрической стенки создается местное сильное магнитное поле зубчатой илиарочной конфигурации, которое защищает боковые стенки источника °т первичныхэлектронов (индукция магнитного поля около нескольких килогаусс на поверхностиполюса). Задняя стенка камеры защищается аналогичным образом.
Передняя экранирующая сетка находится под катодным потенциалом,чтобы отражать высокоэнергетичные первичные электроны. Боковая стенка и днищемогут иметь анодный потенциал.
/>
Рис. 2.11. Ионный источник с сильным магнитным полем зубчатой конфигурации:
1 – боковая стенка камеры; 2 –катод; 3 – постоянный магнит; 4 – подача рабочего вещества; 5 – экранирующаясетка (формирующий электрод); 6 – задняя стенка (днище) камеры
Разряд горит между катодом, собранным, например, из несколькихвольфрамовых нитей, и анодными поверхностями на тех их участках, где электроныплазмы достигают анода (например, на полюсах магнитов, где магнитные силовыелинии почти перпендикулярны поверхности). Рассматриваются ионные источники слинейными постоянными магнитами, располагающимися параллельно оси разряднойкамеры.
Ионный источник с катодной разрядной камерой
Известно, что в разряде низкого давления без магнитного поля длинапробега первичных электронов может быть существенно увеличена за счет подачикатодного потенциала на стенки разрядной камеры и одно временного уменьшенияразмеров анода. Схема ионного источника такого типа представлена на рис. 2.13.Разрядная камера 1 из тугоплавкого металла имеет форму параллелепипеда. Впередней стенке камеры имеется прямоугольное эмиссионное отверстие дляизвлечения ионов. Боковые стенки камеры выполнены в виде круглого полуцилиндра,благодаря чему уменьшается количество нейтральных атомов, непосредственноотражающихся от боковых стенок в сторону эмиссионного отверстия. Термокатод 2 ввиде нескольких вольфрамовых прутков, электрически соединенных параллельно,размещается в разрядной камере на некотором расстоянии от ее задней стенки.Анодом служат вольфрамовые стержни 3. Пары рабочего вещества поступают впарораспределитель 4. В задней стенке камеры просверлено большое числоотверстий диаметром около одного миллиметра, равномерно распределенных поплощади стенки. Это обеспечивает равномерную подачу атомов в разрядный объем.Для уменьшения тепловых потерь элементы источника окружены многослойнымтепловым экраном 5. В рассматриваемом ионном источнике стенки разрядной камерыподдерживаются под катодным потенциалом, относительная площадь анода SiHlSKмала, и первичные электроны,ускоренные в катодном слое разряда, совершают осцилляции в разрядном объеме.При этом концентрация первичных электронов практически одинакова во всех точкахразрядной камеры, а угловое распределение их скоростей является изотропным.Благодаря потенциальному барьеру на стенках камеры средний пробег первичныхэлектронов до попадания на анод возрастает.
Вероятность ионизационных столкновений определяется выражением
При экспериментальном исследовании источника особое внимание былообращено на оптимизацию его геометрических и разрядных характеристик,возможность увеличения поперечных размеров, выравнивания плотности ионного токав выходном сечении, повышения эффективности ионизации газа электронами иобеспечения работоспособности в широком интервале плотностей тока.
В результате удалось получить достаточно высокую равномерностьраспределения плотности ионного тока /; – по площади эмиссионногоотверстия. Так, в камере с поперечным размером 250 мм неравномерностьраспределения /; – составляет несколько процентов и лишь вдольбоковых стенок возрастает до 15%.
Размеры анода оказывают существенное влияние на ионообразование вразрядном объеме. С уменьшением площади анода SaHионообразование возрастает до тех пор, пока не образуетсяположительное анодное падение. Оптимальная площадь анода, при которойновообразование достигает максимума, составляет 1 – 2% от общей поверхностиразрядной камеры.
Энергетическое распределение электронов в разряде, измеренное спомощью плоских зондов Ленгмюра с последующей обработкой методом двойногодифференцирования, существенно отличается от максвелловского наличием группыбыстрых электронов со средней энергией, не превышающей разрядное напряжение.Чем выше разрядное напряжение Ср и ниже разрядный ток Iр, тем более четко выражено двухгрупповое распределение электроновна быстрые и медленные. Чем ниже Upи выше Iр, тем ближе распределение электронов кмаксвелловскому. Это связано с тем, что при низких Ср сечениеионизации первичными электронами мало, а сечение кулоновского рассеяния велико,вследствие чего происходит интенсивная максвеллизация электронов и затем ужеионизация атомов высокоэнергетичными электронами из «хвоста» максвелловскогораспределения. Наоборот, при высоких Ср и низких Iр максвеллизация электронов затруднена ипреобладающим процессом является ионизация первичными электронами.
Основы проектирования ионно-оптических систем
При проектировании и расчете ионно-оптических систем необходимоучитывать закономерности интенсивных ионных течений в стационарныхэлектрических полях в условиях вакуума.
Интенсивными принято называть ионные течения с большой плотностьютока, на которые оказывает существенное влияние поле собственногопространственного заряда. Мерой интенсивности течения является его первеанс Р,определяемый как отношение тока пучка / к ускоряющему напряжению Uв степени три вторых:
P= I/U3/2. (2.43)
Интенсивными считаются течения, первеанс которых больше 10"8– 10~7 А/В3/2. В свободном от внешних полей пространственаблюдается расширение интенсивных ионных пучков вследствие действиякулоновских сил отталкивания, изменение распределения потенциала и связанное сэтим ограничение тока.
Одним из фундаментальных законов интенсивных течений являетсязакон Ленгмюра-Богуславского, о котором уже неоднократно упоминалось и которыйдля одномерного течения однозарядных ионов между плоскими параллельнымиэлектродами записывается следующим образом
Плотность ионного тока в плоской электростатической ускоряющейсистеме не может превосходить величину, определяемую законом Ленг-мюра – Богуславского.
Физической причиной ограничения плотности ионного тока является воздействиепространственного заряда движущихся ионов. Если плотность тока ионов,поступающих из источника в ускоряющую систему превосходит величину,определенную формулой (2.44), то в ускоряющем пространстве образуетсяпотенциальный барьер (область, где потенциал выше потенциала анода) м частьионов возвращается к аноду.
Распределение потенциала, напряженности электрического поля иплотности объемного заряда в плоской электростатической ускоряющей системе врежиме течения, определяемом законом Ленгмюра–Богуславского, описываетсяследующим образом:
/>
Здесь Ф, Е и.р – потенциал, напряженность поля и плотностьобъемного заряда в сечении х; Фан – потенциал анода;?«ки рк – напряженность электрического поля и плотность объемногозаряда в плотности катода.
Отметим, что в плоскости анода при х – 0 достигаетсямаксимум потенциала, а напряженность электрического поля принимает нулевоезначение.
Используя приведенные выше соотношения, можно определитьпредельную плотность ионного тока, которая может быть получена в ионномдвигателе. Как известно, плотность тяги величиной пробойного напряжения. Наоснове имеющегося опыта можно считать, что длительная работа ионного двигателявозможна при напряженности поля Ек= 70… 100 кВ/см. При этомпредельное значение плотности тяги ионных двигателей не превосходит 200 – 400Н/м2. В формулу (2.46) не входят характеристики рабочего вещества.Поэтому приведенная оценка плотности тяги применима для всех разновидностейэлектростатических двигателей независимо от вида ускоряемых заряженных частиц.
При определении предельной плотности тяги, фактически реализуемойв ионных двигателях и рассчитываемой как отношение тяги к площади поперечногосечения источника, необходимо учитывать прозрачность электродовионно-оптической системы. Если суммарная площадь отверстий ускоряющегоэлектрода So, а площадь поперечногосечения источника SH, то фактическая предельнаяплотность тяги.
/>
Метод электростатической фокусировки интенсивных ионных пучков былразработан Дж. Пирсом. В случае ленточных пучков (ширина пучка значительнобольше его толщины) потенциал внешнего фокусирующего электрического поля определяетсяуравнением
/>
ионно-оптических систем показывает, что фокусировка интенсивныхионных пучков с геометрическим параметром R> > 3… 5 – трудноразрешимая задача. В этом случае градиентыпотенциала в направлении, перпендикулярном оси пучка, становятся стользначительными, что формирование параллельного пучка с помощью внешнихфокусирующих полей становится практически невозможным. Поэтому в ионныхдвигателях ионный пучок большого сечения делится на элементарные пучки малыхразмеров, каждый из которых имеет допустимый геометрический параметр.
В ионных двигателях применяются ионно-оптические системы двухтипов: система с электродами в виде сеток с гексагональными рядами круглых отверстийнебольшого диаметра и система в виде набора из тонких параллельных нитей илистержней.
При проектировании ионно-оптических систем широко используютсяаналоговые устройства (электролитическая ванна), а также опытные данные,полученные при экспериментальной отработке ионных двигателей. Для обоснованногоиспользования экспериментальных данных большое значение приобретает теорияподобия ионно-оптических систем.
Рассмотрим установившееся интенсивное ионное течение в ускоряющейсистеме. Считаем его ламинарным, т.е. таким, что траектории различных ионов непересекаются и что в каждой точке течения все ионы имеют одинаковые скорости.Также пренебрегаем столкновениями ионов с какими-либо частицами иколебательными процессами в пучке.
При принятых допущениях ионное течение описывается системойуравнений, включающей уравнения Пуассона, непрерывности и движения:
/>
Рассмотрим сначала ионно-оптическую систему, предназначенную дляформирования ионных пучков иэ ионов, которые образуются в контактных ионныхисточниках. В этом случае ионы поступают в ускоряющее пространство сфиксированной твердой поверхности и граничные условия записываются в видесоотношений, выражающих распределение потенциала, напряженности поля иплотности ионного тока по поверхностям источника и электродов.
Введем масштабы величин, входящих в основные уравнения и вграничные условия. В качестве масштаба потенциала естественно принять потенциаланода Фан, в качестве линейного масштаба – ускоряющую длину а, вкачестве масштаба скорости – скорость v0= V-Фан приобретаемую ионами припрохождении разности потенциалов, равной масштабу потенциала. За масштабплотности ионного тока примем среднюю плотность ионного тока /0наанодной поверхности (поверхности ионного источника), за масштаб напряженности –среднюю напряженность электрического поля в ускоряющем пространстве Ео= Фан/У. Безразмерные переменные условимся отмечать значком~:
/>
Подставляя эти соотношения в исходные уравнения, и выполняяэлементарные преобразования, получаем систему уравнений в безразмерныхпеременных:
/>
уравнений в безразмерных переменных. При этом входящие в этиуравнения комплексы, составленные из определяющих величин, в подобных процессахимеют одинаковые численные значения и являются критериями подобия. В систему уравнений(2.53) входит лишь один безразмерный комплекс, который является критериемподобия ионных течений и обозначается буквой у:
/>
Таким образом, в геометрически подобных ионно-оптических системахионные течения будут подобными, если они характеризуются одинаковыми значениямикритерия у и если граничные условия на поверхностях электродов могутбыть представлены в виде тождественных безразмерных соотношений. В подобныхионных течениях геометрические характеристики ионных пучков (в частности,расходимость пучка) совпадают, а параметры течения (Ф, р,/7, v) в сходственных точках ускоряющегопространства определяются по соотношениям (2.52).
Выражение для критерия подобия у можно представить в болеепростом виде, если ввести в рассмотрение эквивалентный плоский диод. Такназывается двухэлектродный плоский ускоритель, работающий в режиме ограничениятока пространственным зарядом, в котором ускоряющее напряжение и средняяплотность тока на анодной поверхности такие же, как в рассматриваемойионно-оптической системе. Межэлектродное расстояние в эквивалентном плоскомдиоде обозначим сэ. Согласно закону Ленгмюра–Богуславского
/>
Таким образом, критерий у равен умноженному на 4/9 квадратуотношения межэлектродных длин рассматриваемой ионно-оптической системы иэквивалентного плоского диода.
Когда ионные пучки формируются из ионов, поступающих в ускоряющуюсистему с поверхности плазмы, то для подобия ионных течений кроме перечисленныхвыше условий требуется, чтобы уравнение граничной поверхности плазмы вбезразмерных переменных было одинаковым для разных ионных источников. Приформировании ионных пучков из плазмы газоразрядных источников на граничнойповерхности сФ/сх = О в силу квазинейтральности плазмы. Следовательно, здесьприменимо уравнение Ленгмюра–Богуславского, которое в этом случае являетсясоотношением между плотностью ионного тока, поступающего в ускоряющую систему,приложенной разностью потенциалов и толщиной слоя пространственного зарядамежду ускоряющим электродом и границей плазмы. Если, например, при заданномускоряющем напряжении изменяется плотность тока, то это приводит к изменениюразмеров слоя пространственного заряда и формы граничной поверхности.Следовательно, форма граничной поверхности должна определяться критерием у. Приболее подробном анализе, который здесь не приводится, оказалось, что прификсированном значении у форма граничной поверхности может изменяться взависимости от режима работы газоразрядного ионного источника (концентрацииионов, электронной температуры и др.), Однако если ускоряющая разностьпотенциалов Фан значительно превращает электронную температуру Те:
/>
то форма граничной поверхности плазмы не зависит от режима работыионного источника и однозначно определяется величиной критерия подобия у.
Рассмотрим конструкцию ионно-оптической системы (см. рис. 2.3),с помощью которой возможно сформировать ионные пучки с большим током (натяжелых рабочих веществах до 20 – 30 А, на водороде – до 100 А). Формирующий,ускоряющий и замедляющий электроды выполнены в виде плоской сетки из металлическихпрутков, закрепленных своими концами в соответствующей паре кварцевых державок.Прутки ускоряющего и замедляющего электродов крепятся на своих кварцевыхдержавках с помощью металлических обойм. Обоймы размещены на кварцевыхдержавках таким образом, что при разогреве они могут удлиняться, не вызываямеханических напряжений, и обеспечивают электрический контакт прутков электродас источником питания. Пазы в кварцевых державках для крепления прутков имеютопределенный шаг. Концы кварцевых державок длиной 20 – 40 мм служат длякрепления электродов и для высоковольтной изоляции. Крепление и юстировкаформирующего электрода осуществляется посредством прижатия Державок винтами кпередней крышке разрядной камеры и винтами – через пружины к поверхностиюстировочной пластины. В этом случае прутки электрода имеют непосредственныйконтакт с разрядной камерой. Крепление и юстировка ускоряющего и замедляющегоэлектродов осуществляются так же, как и формирующего, только концы их кварцевыхдержавок прижимаются к крышке разрядной камеры через соответствующие вкладыши,обеспечивающие зазор между электродами. Так как нарезка пазов в кварцевыхдержавках производится одновременно, то прижатие их винтами к котировочнойпластине обеспечивает надежную юстировку электродов (совпадайте щелей).
Замедляющий и ускоряющий электроды выполнялись диаметром 2 мм,формирующий – из прутков диаметром 2; 1 и 0,5 мм с шагом 4 мм(соответственно изучались три варианта ионно-оптической системы). Прутки – диаметром1 и 0,5 мм натягивались индивидуальными пружинами. Ускоряющая длинасоставляла 2 мм в первом варианте и 2,5 мм во втором и третьемвариантах ионно-оптической системы. Максимальная полезная длина прутков (подпучком) составляла 150 мм. Полезная длина кварцевых державок (ширинаобласти под пучком) также была равной 150 мм. Следовательно, максимальнаяплощадь поперечного сечения в исследованной системе составляла 225 см2.
Экспериментальное исследование характеристик описанной системыпроводилось совместно с изученным ранее газоразрядным источником ионов,работавшим на висмуте. Температура электронов в источнике поддерживалась равной2 – 3 В. В соответствии с теоретически полученной формулой (2.57) ускоряющеенапряжение при экспериментах принималось равным 3 – 4,5 кВ.
Эксперименты показали, что оптимальное значение критерия подобия 70пт>при котором угол расходимости ионного пучка минимален, не зависит отускоряющего напряжения (изученный диапазон от 4,5 до 14 кВ) и составляет придиаметре пучков формирующего электрода 2; 1; 0,5 мм соответственно около0,16; 0,26 и 0,27.
Постоянное значение 7 опт указывает на справедливость изложеннойвыше теории подобия для случая формирования ионных пучков из плазмы присоблюдении условия (2.57). Зная 7Опт> можно определитьоптимальное значение ускоряющего напряжения при заданных плотностях йодноготока и рассчитать оптимальные параметры геометрически подобных конструкцийускоряющей системы для любых рабочих веществ.
Другим параметром, характеризующим ионно-оптическую систему,является геометрическая прозрачность формирующего электрода
Как уже указывалось, в современных ионных источниках коэффициентиспользования массы достаточно высок (до 0,9 – 0,95), но все же некотороеколичество атомов рабочего вещества поступает в ионно-оптическую систему степловыми скоростями. В результате в ионно-оптической системе могут протекатьтакие процессы, как рассеяние и перезарядка ионов на атомах, ионизация атомовионами и др. В условиях ионных двигателей при относительных скоростях ионов иатомов 103 – 104 м/с наиболее вероятным процессомявляется резонансная перезарядка ускоренных ионов на нейтральных атомах. Приперезарядке ускорений ион приобретает электрон и становится быстрым атомом,продолжающим движение со скоростью, равной скорости иона в момент перезарядки.Атом, потерявший электрон, становится вторичным ионом, начальная скоростькоторого равна тепловой скорости атома (около 103 м/с).
В трехэлектродной ионно-оптической системе большинство вторичныхионов не может преодолеть потенциальный барьер между ускоряющим и замедляющимэлектродами, ионы остаются в «потенциальной яме» и в конце концов попадают наускоряющий электрод, который имеет наиболее низкий отрицательный потенциал.Величина потенциального барьера в замедляющем зазоре ионно-оптической системыопределяется коэффициентом замедления ионного пучка
/>
где Фк – абсолютная величина потенциала ускоряющегоэлектрода; Фан – потенциал фокусирующего электрода; потенциалзамедляющего электрода принимается равным нулю.
Энергия вторичных ионов в плоскости ускоряющего электрода можетсоставлять несколько сотен электронвольт. Бомбардируя ускоряющий электрод,вторичные ионы вызывают его катодное распыление. Наряду с вторичными ионамиускоряющий электрод при плохой фокусировке ионного пучка может перехватывать ипервичные ионы, обладающие энергией в несколько килоэлектронвольт и вызывающиеособенно интенсивное распыление ускоряющего электрода.
Эксперименты проводились на многощелевой ионно-оптической системе.Формирующий, ускоряющий и замедляющий электроды были выполнены из вольфрамовыхпрутков диаметром 1 мм при шаге расположения прутков 3 мм. Ускоряющийи замедляющий зазоры составляли соответственно 2 и 1 мм. Ионно-оптическаясистема имела пять щелей шириной 2 мм и длиной 30 мм. Формированиеионных пучков осуществлялось из аргоновой плазмы. Измерялся ток на ускоряющийэлектрод для различных расходов аргона при постоянных токе пучка, ускоряющем изамедляющем напряжениях (т.е. при неизменной форме пучка и фокусировке).Постоянство тока пучка при изменении расхода обеспечивалось регулированием токаэмиссии катода газоразрядного источника ионов.
Вопросы нейтрализации объемного заряда ионных пучков
Для нормальной работы ионных двигателей в условиях космического пространстванеобходима нейтрализация объемного заряда и тока истекающих ионных пучков.Нейтрализация объемного заряда и тока требуется также и в плазменных двигателяхс анодным слоем, которые рассматриваются в следующей главе. Эта задача решаетсяс помощью специального нейтрализатора – источника электронов, которыйустанавливается на выходе из ускоряющей системы.
Система нейтрализации должна удовлетворять следующим основнымтребованиям.
1. Энергетическая цена электрона (отношение расходуемой мощности квыходному электронному току) должна быть минимальной.
2. Газовая эффективность источника электронов (отношение электронноготока к расходу рабочего вещества) должна быть возможно
более высокой.
3. Схема электропитания нейтрализатора должна быть простой, вероятностьбезотказной работы и конструктивный ресурс не должны
быть ниже, чем у остальных элементов ЭР Д.
В ходе создания наземных прототипов ионных двигателей и плазменныхдвигателей с анодным слоем были исследованы различные виды нейтрализаторов:проволочные прямоканальные катоды, плазменные источники электронов и полыекатоды.
В наибольшей степени этим требованиям отвечают плазменныенейтрализаторы и нейтрализаторы на основе полого катода. На рис. 2Л8изображен газоразрядный плазменный нейтрализаторе Он состоит из эмитирующегоэлемента (катода) 1 в виде трубочки из гексаборида лантана с малым внутреннимотверстием, стартового нагревателя 2, выполненного из вольфрамовой проволоки,тепловых экранов 3 и поджигающего электрода 4. Подача газообразного рабочего веществаосуществляется по трубчатому молибденовому токоподводу 5, обладающему малойтеплопроводностью, После предварительного прогрева и срабатывания поджигающегоэлектрода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучкомзагорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора,создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, покоторому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок.
На рис» 2,19 изображена схема диафрагмированного газопроточногополого катода – нейтрализатора, обладающего наилучшими характеристиками по ценеиона и газовой эффективности. Нейтрализатор может работать в авторежиме, т.е.без нагрева катода от постороннего источника
Внутренняя вставка полого катода изготовлена из материала свысокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексаборида лантана). Типичныеразмеры нейтрализатора: диаметр внутренней полости 3 – 10 мм, длина 5–15 мм,диаметр выходного отверстия 0,5 – 3 мм, отношение площади выходногоотверстия в катоде Soк площади внутреннейповерхности катода Snравно 3–10- з _ 2–10-2«Электрические 86 параметры: расход ксенона в токовых единицах /^ = 0,03… 2,5 А,минимальное разрядное напряжение 14 В, выходной электронный ток /, = 0,1… 50 А.
Если пренебречь сравнительно небольшими радиационными потерями, тоэнергетическая цена электрона сепрактически равна разрядномунапряжению Up. Для определения газовой эффективности нейтрализатора удобноиспользовать соотношение
/>
(2-63)
в которое вявном виде входит геометрический параметр S/Sn. Для выбора оптимальныхгеометрических характеристик нейтрализатора, термоэмиссионных характеристикматериалов и определения газовой эффективности необходимо рассчитыватьвольтамперную характеристику нейтрализатора.
При расчете вольтамперной характеристики принимаются следующиепредположения о процессах, происходящих в полом катоде:
/>
\РВ
1) электроны поступают в разряд с внутренних стенок катода врезультате термоэмиссии;
2) ионизация атомов производится в основном первичными (быстрыми) электронами,эмитированными стенками, и ускоренными в прикатодном слое разряда.
3) первичные электроны, потеряв при неупругих столкновениях с атомамиэнергию порядка потенциала ионизации, становятся медленными и не принимаютучастия в процессах ионизации;
/>
Рис. 2.18. Газоразрядный плазменный нейтрализатор: 1– катод; 2 – стартовый нагреватель; 3 – тепловые экраны;
4 – поджигающий электрод; 5 – токоподвод
Рис. 2.19. Диафрагмированный газопроточный полыйкатод-нейтрализатор:
1 – катодная полость; 2 – катод; 3 – диафрагма катода; 4 – выходноеотверстие;
5 – нагреватель; 6 – канал подачи рабочего вещества; 7 – тепловыеэкраны; 8 –
вспомогательный электрод (анод) для по джига разрядов; РВ – рабочеевещество
4) толщина прикатодного слоя разряда т порядка дебаевского радиусаэкранирования, а падение потенциала в нем близко к разряд, ной разностипотенциалов.
Ионные двигатели на переменном токе
В элементах ионного двигателя (источник ионов, ускоряющая система,нейтрализатор, система подачи, электромагнит и др.) потребляется электрическийток различного напряжения и различной силы. Так, например, в американскомдвигателе SERT-II имеется 9 электрических цепей, из которых шесть работают напостоянном токе напряжением 30, 45, 50, 1800 и 3000 В и три на переменном.
Как известно, бортовые источники энергии для ЭРД способнывырабатывать постоянный ток низкого напряжения (солнечные батареи,термоэмиссионный ядерный реактор-генератор), либо переменный ток (ядерныйреактор с турбогенератором). Двигатель SERT-II, например, потреблял около1 кВт электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей в виде постоянного токас первичным напряжением около 60 В.
Для согласования электрических параметров двигателей с параметрамипервичных источников требуется бортовая система преобразования энергии. Преждечем попасть в двигатель, постоянный ток низкого напряжения инвертируется впеременный, трансформируется до заданного напряжения, а затем выпрямляется. Вдвигателе SERT-II для этих целей применялся полупроводниковый преобразователь судельной массой 15 кг/кВт. При проектировании подобных преобразователейвозникают специфические проблемы. Вследствие сравнительно низких значений КПДэлементов в преобразовательном блоке выделяется большое количество тепловой энергии.Так, при подводимой мощности 1 кВт и входном напряжении 60 В в блоке выделяетсяот 125 до 150 Вт тепла. Для обеспечения безопасной рабочей температурыполупроводниковых вентилей, входящих в преобразователь, необходимы большаяплощадь и масса холодильника-излучателя, поддерживающего температуру блока впределах 50 – 70 °С. При переходе к ионным двигателям большоймощности (сотни киловатт) эта проблема становится еще более острой итребует разработки выпрямителей и инверторов со значительно более высокойрабочей температурой. Это заставляет искать новые пути решения проблемыпреобразования электрической энергии, отвечающие условиям применения вкосмическом пространстве.
Одним из таких направлений является использование для выпрямленияпеременного тока плазменных объемов ионных двигателей, т.е. создание устройств,совмещающих в себе функции преобразователя тока и элементов двигателя.
Проведенные исследования показали, что практически всеэлектрические цепи ионного двигателя можно перевести на питание переменнымтоком. При этом по имеющимся оценкам, не только увеличивается надежность ЭРДУ,но и на 10 – 20% снижается ее удельная масса. В качестве источника энергии вэтом случае целесообразно использовать систему с турбогенератором переменноготока, так как по сравнению с другими системами при питании двигателя переменнымтоком она имеет минимальную удельную массу.
Схема газоразрядного ионного источника на переменном токепредставлена на рис. 2.22. Цилиндрический анод 3 источника разделен на тричасти, либо на кратное трем число частей, которые по одной или группамикоммутируются с фазами питающего трансформатора. Нулевая точка трансформатора Лсоединена с корпусом камеры.
По мере изменения величины питающего напряжения, подаваемого наанод, разряд переходит с анода, потенциал которого уменьшается, на анод,положительный потенциал которого становится наибольшим. При трехфазном питанииза время, равное периоду изменения напряжения, происходит трехкратнаякоммутация тока, при шестифазном питании – шестикратная. Ток в цепи работающегоанода следит за его потенциалом. Поэтому в нулевом проводе протекаетпульсирующий выпрямленный ток, а напряжение горения разряда совпадает согибающей фазовых напряжений. Для обеспечения устойчивого горения разряданеобходимо, чтобы напряжение зажигания разряда, примерно равное половинеамплитудного напряжения, превышало потенциал ионизации рабочего вещества.
/>
Рис. 2.22. Электрическая схема питания газоразрядногоисточника переменным током:
а – электрическая схема; б –осциллограмма тока и напряжения; 1 – трансформатор цепи разряда; 2 – фокусирующийэлектрод; 3 – анод; 4 – нулевой провод; 5 – «нерабочая» зона разряда; пунктиромпоказана граница диффузии плазмы в зону 5
При горении разряда на аноде наиболее положительной фазы через неепротекает весь разрядный ток /р. В этот момент аноды других фазвыполняют функции коллектора хаотического ионного тока, величина которого непревышает 0,5 – 1% /р. Поэтому контакт анод–плазма обладаетвентильными свойствами, и разрядную цепь следует рассматривать как обычныйоднотактный выпрямитель с закороченным выходом.
Экспериментально установлено, что в любой момент временидостаточно площади одного работающего анода, чтобы генерируемая в источникеплазма заполнила весь объем разрядной камеры. Однако при питании переменнымтоком концентрация плазмы, ее потенциал и электронная температура пульсируют счастотой напряжения разряда. К радиальной неравномерности распределения плотностиионного тока в выходном сечении разрядной камеры, характерной для источникакауфмановского типа, питаемого постоянным током, при переходе на переменный токдобавляются пульсации плотности тока по времени. Пульсации ионного токаухудшают работу ионно-оптической системы двигателя. Они могут быть уменьшены засчет увеличения частоты питания разряда (до 2 – 2,2 кГц), числа анодов (до 6 – 9)и др.
Проведенные исследования показали, что при питании газоразрядныхионных источников переменным током могут быть достигнуты такие же показатели поэнергетической эффективности, плотности ионного тока, пульсациям тока, как припитании источника постоянным током от выпрямителя без сглаживающих фильтров.
Ускоряющая цепь ионного двигателя (т.е. цепь, по которой образующиесяв источнике электроны поступают в нейтрализатор, а затем в ионный пучок)потребляет до 90% подводимой к двигателю мощности, и ее перевод на питаниепеременным током особенно целесообразен. Одна из возможных принципиальных схемускоряющей цепи с выпрямлением тока в ионном двигателе представлена на рис. 2.23.Выпрямление высоковольтного тока происходит на анодных узлах, установленных вгазоразрядной плазме ионного источника. В схеме использован один нейтрализатор,работающий на постоянном токе. Принцип действия схемы основан на способностиквазинейтральной плазмы образовывать экранирующий слой при контакте с твердойстенкой (металлическим электродом). При положительном (относительно плазмы)потенциале электрода этот слой пропускает большой электронный ток с малымпадением потенциала на границах слоя, при отрицательном потенциале T0 к снижается до ионного и при определенных условиях экранирующийслой выдерживает без пробоя несколько киловольт. Поэтому, меняя потенциалэлектрода, можно изменять как ток зарядов к нему, так и потенциал окружающейплазмы.
/>
Рис. 2.23. Принципиальная схема ускоряющей цепи с выпрямлениемтока в ионном двигателе:
1 – камера ионизации; 2 – трансформаторцепи разряда; 3 – нейтрализатор; 4 – аноды цепи разряда; 5 – анодные узлы; 6 – трансформаторускоряющей цепи; 7 – источник постоянного тока; 8 – подача рабочего вещества; 9– ионный пучок
Если на три анодных узла подать трехфазное переменное напряжение,то потенциал плазмы начинает следить за потенциалом узла, имеющего наиболеевысокий потенциал. Между этим узлом и плазмой устанавливается небольшаяразность потенциалов, обеспечивающая прохождение по фазе электронного токанейтрализации. Потенциал плазмы изменяется практически по огибающей диаграммыфазных напряжений. В соответствии с этим изменяется и потенциал корпусаисточника, отличаясь на величину порядка электронной температуры. Такимобразом, между нейтрализатором («нуль» трансформатора ускоряющей цепи) икорпусом камеры ионизации устанавливается пульсирующая разность потенциалов,необходимая для ускорения ионного пучка. За период изменения питающегонапряжения ток нейтрализации переходит с фазы, потенциал которой. уменьшается,на фазу, потенциал которой возрастает в т раз (т – количествофаз). При этом в ионном источнике происходит разделение зарядов: ионы поступаютиз источника в ускоряющую систему и покидают двигатель в виде ускоренногопучка, а электронный ток замыкается на ионный пучок через нейтрализатор.
Рассмотрим более подробно вопросы выпрямления тока в плазменныхобъемах. Уже говорилось о возникновении вентильного эффекта в экранирующем слоеили в зоне контакта плазмы с любым электропроводным узлом двигателя. Свободныйконтакт между плазмой и металлическим электродом будем называть открытымплазменным вентиль-анодом.
В некоторых элементах ЭРД подвижность плазменных электроновуменьшается, например, под воздействием внешнего магнитного поля. В рядеслучаев возмущения плазмы за счет прямого контакта с электродом недопустимы. Вэтих условиях для выпрямления переменного тока следует применять газоразрядныйвентиль-анод. В отличие от открытого вентиль-анода газоразрядный вентиль-анодвыведен за пределы плазменного объема. Однако опорным электродом его разрядапо-прежнему является плазменная граница, через которую электроны поступают изосновного плазменного объема в прианодную зону вентиля. Плазменная границавыполняет роль виртуального катода для разряда, который загорается в прианоднойобласти синхронно с частотой питающего напряжения. Необходимое давление газаобеспечивается натеканием из двигателя.
Вентильный эффект проявляется также в осе симметричном потокеплазмы, движущемся в неравномерном магнитном поле, вызывающем азимутальныйдрейф электронов. При изменении направления электрического поля, а также приопределенной величине магнитной индукции проводимость плазменного потока можетизменяться в десятки раз, что позволяет использовать его для выпрямленияпеременного тока. Поскольку такие условия создаются в канале двигателя сазимутальным дрейфом электронов, вентиль, действующий по данному принципу,называется плазменным вентиль-каналом.
Все рассмотренные разновидности вентилей используют плазму ЭРД какрабочее вещество. Они составляют единое целое с конструкцией двигателя и имеютобщую с ним температуру, равную сотням градусов. Это намного выше, чем рабочаятемпература полупроводниковых вентилей, используемых в современныхпреобразователях тока. Высокая температура плазменного вентиля составляет егоглавное преимущество по сравнению с полупроводниковым в космических условиях,где охлаждение элементов возможно только излучением.
Вентильные свойства контакта плазма-электрод во многом повторяютсвойства полупроводникового диода. Как известно, последний обладаетпреимущественно односторонней проводимостью. Она зависит от направления ивеличины протекающего тока. Направление, соответствующее большей проводимости,называется прямым, направление, соответствующее меньшей проводимости, – обратным.Эффективность вентиля характеризуется коэффициентом выпрямления тока
/>
(2.81)
где Qпр и /пр – проводимостьи ток в прямом направлении; Qобр и Iобр – те же величины в обратном направлении.
Вольтамперная характеристика идеального вентиля совпадает с осямикоординат, т.е. для него выполняются условия
(2.82)
/>
Реальнаяхарактеристика отличается от идеальной, поскольку у реального вентиля отношениепрямого и обратного тока составляет 103 _ ю4, а отношениедопустимого обратного напряжения к прямому Ю2 -103.
Основным элементом полупроводникового вентиля является тонкий слойр – n – перехода. Он обеднен носителямизаряда, поэтому его проводимость намного ниже, чем у прилегающих к тонкому слоюзон чистого (а = 1 Ом» 1 м» *) и примесного (а = 1000 Ом'1м»1) полу, проводников. Проводимость р – n-перехода растет с повышением температурыэтого слоя что особенно пагубно в обратный полупериод, когда увеличениеобратного тока приводит к пробою диода.
Плотность прямого тока вентиль-анода определяется плотностьюхаотического электронного тока, поступающего из плазмы к границе экранирующегослоя,
/>
(2.83)
Для газоразрядной плазмы ионных источников пе = 1017м 3, Те -= 1 эВ «104 К и /Пр= (2… 3)-103 А/м2. Это намного меньше, чему кремниевогодиода (106 А/м2), но на порядок больше, чем у селенового(200 – 300 А/м2).
(2.85)
/>
У вентиль-анода, контактирующего с ртутной или аргоновойгазоразрядной плазмой, ав будет соответственно 424 и 190, что на 1 –2 порядка меньше, чем у полупроводникового вентиля.
Большим значением коэффициента выпрямления переменного токаобладает газоразрядный вентиль-анод, в состав которого входят металлическийвентиль-анод, изолированный в герметичном корпусе, плазменный эмиттер, например,граница плазмы в ионном источнике, и опорный электрод – корпус источника.Существенным элементом вентиля является деионизатор, разграничивающийприанодную область и плазму основного объема источника. В прямой или проводящийполупериод потенциал вентиль-анода положителен. Между ним и плазменнымэмиттером, являющимся виртуальным катодом, поджигается вспомогательный разряд.Положение эмиттера фиксируется отверстиями деио-низатора. Вентиль заполняетсяпроводящей плазмой, по которой выпрямленный ток поступает в цепь нагрузки.
В обратный полупериод потенциал вентиль-анода становитсяотрицательным, разряд вентиля гаснет и он становится квазивакуумнымпространством, пропускающим ограниченный поток ионов. Наличие деионизатораоблегчает поджиг разряда в прямой полупериод и уменьшает приток ионов из плазмыосновного разряда. Таким образом, в газоразрядном вентиль-аноде используется нестолько малая подвижность ионов, сколько искусственное снижение концентрацииплазменных ионов в обратный полупериод.
Использованнаялитература
1.Д. Гришин Н. Лесков – Электрические ракетные двигателикосмических аппаратов
2.В.Н. Лебедев – Расчет движения космических аппаратов с малойтягой