СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКА ТЯЖЕЛЫХ ЧАСТИЦ ФАКЕЛА ЭЛЕКТРОРАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASUREMENT OF ANGULAR AND ENERGETIC CHARACTERISTICS OF ELECTROJET ENGINE TORCH HEAVY PARTICLES FLOW AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Предлагаемая группа изобретений относится к области газоразрядной, в том числе плазменной, техники и может найти применение при создании ионных источников, ускорителей плазмы космических электрореактивных двигателей и при исследованиях других газоразрядных приборов и устройств.
Поток плазмы, истекающий из электроракетного двигателя (ЭРД), состоит из электронов, положительных ионов и нейтральных атомов рабочего газа (нейтралов), возникших в процессе движения ионов из разрядной камеры двигателя в окружающее пространство. В этом потоке присутствуют также ионы и нейтралы материалов конструкции разрядной камеры, подвергшиеся в процессе работы катодному распылению и эрозии.
Известен способ измерения расходимости потока ионов, истекающего из разрядного пространства ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов (Жакупов А.Б. «Влияние граничных условий на рабочие процессы и интегральные характеристики ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Московский государственный авиационный институт (технический университет), 1996, УДК 621.455.32, стр. 37-40, [1]), согласно которому многократно измеряют ионный ток в точках, расположенных по дуге окружности с центром на оси двигателя в плоскости среза его выходного канала.
На основе полученных результатов измерений после их математической обработки оценивается расходимость потока ионов, причем в качестве параметра, ее характеризующую, принимается телесный угол, в пределах которого заключается 90% измеренного ионного тока ускорителя.
Недостатками приведенного способа являются:
- невозможность получения детальной информации о величине и направлении вектора скорости тяжелых частиц (ионов и нейтралов) по заданному поперечному сечению факела ЭРД, так как методика измерений с помощью данного способа изначально предполагает электрореактивный двигатель как точечный источник ионов;
- невозможность получения информации о нейтральной компоненте потока тяжелых частиц, так как приведенный способ не предусматривает регистрацию нейтралов;
- недостаточные точность и достоверность результатов измерений, связанные с принципом измерения ионного тока в среде плазмы, на величину которого оказывает влияние наличие в зоне измерений магнитного поля неодномерной конфигурации в сочетании с процессом сильного распыления электродов, сопровождающих работу двигателя и измерительного устройства, что приводит к неодинаковым условиям измерений в различных точках исследуемого потока.
Наиболее близким к предлагаемому способу измерения, выбранным в качестве прототипа, является способ измерения локальных параметров плазмы и потока ионов, истекающих из электроракетного двигателя (Гаврюшин В.М., Ким В.П. «О влиянии магнитного поля на параметры ионного потока на выходе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП)», ЖТФ т.51, №4, 1981, стр.850-852, [2]), заключающийся:
- в измерении ионных токов с отсечкой электронного тока из плазмы в трех взаимно перпендикулярных направлениях в заданных точках поперечного сечения потока при различных величинах тормозящей ионы разности потенциалов;
- в вычислении, после обработки результатов измерений, распределения направления и локальной величины скорости ионного потока по его поперечному сечению, а также функции распределения ионов по энергиям и средней энергии ионов из зависимости ионного тока от величины тормозящей ионы разности потенциалов (тормозной характеристики).
Недостатками данного способа измерения локальных параметров потока ионов являются:
- недостаточные точность и достоверность результатов измерений, связанные с принципом косвенных измерений локальной величины и направления скорости ионов, возникающих при этом искажений результатов измерений под влиянием процессов вторичной электронной эмиссии, усугубляющихся загрязнениями вследствие катодного распыления и наличием в зоне измерений магнитного поля неодномерной конфигурации, всегда сопровождающих работу двигателя и измерительного устройства, что приводит к неодинаковым условиям измерений в различных точках исследуемого потока;
- невозможность получения информации о нейтральной компоненте потока тяжелых частиц, так как приведенный способ не предусматривает регистрацию нейтралов.
Известно устройство для измерения расходимости потока ионов, истекающего из разрядного пространства ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов (Жакупов А.Б. «Влияние граничных условий на рабочие процессы и интегральные характеристики ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Московский государственный авиационный институт (технический университет), 1996, УДК 621.455.32, стр.38, рис.2.6, [3]).
Устройство [3] содержит плоский зонд диаметром 7 мм, установленный на конце поворотной штанги длиной 500 мм с центром вращения на оси двигателя в плоскости среза его выходного канала и ориентированный на центр вращения штанги. Устройство [3] позволяет производить при проведении измерений перемещение и фиксацию зонда по дуге окружности с центром в точке вращения штанги. В состав устройства входят также высокостабилизированный источник питания постоянного тока для подачи отрицательного смещения на зонд и миллиамперметр для измерения текущего на него ионного тока.
Недостатками устройства [3] являются:
- невозможность получения детальной информации о величине и направлении вектора скорости тяжелых частиц по заданному поперечному сечению факела ЭРД, так как конструкция этого устройства изначально создана для измерений на существенном удалении от среза ЭРД, что предполагает электрореактивный двигатель как точечный источник ионов;
- невозможность получения информации о нейтральной компоненте потока тяжелых частиц, так как приведенное устройство не предусматривает конструктивных элементов, предназначенных для регистрации и измерения параметров потока нейтралов;
- недостаточные точность и достоверность результатов измерений, связанные с наличием в зоне измерений магнитного поля неодномерной конфигурации в сочетании с процессом сильного распыления электродов двигателя и зонда, сопровождающих работу двигателя и элементов конструкции измерительного устройства, приводящие к утечкам тока с измерительной поверхности зонда и оказывающие негативное влияние как на состояние среды, окружающей устройство, так и на показания последнего во время производства измерений.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство многоэлектродного зонда для измерений в плотной плазме (Козлов О.В. «Электрический зонд в плазме», Москва, Атомиздат, 1969, стр.234-235, рис.53, [4]), которое состоит из выдвигаемого в поток плазмы длинного цилиндра - экранирующего корпуса, внутри которого напротив входного канала (окна) размещены плоские сетки и коллектор, с помощью которого измеряют, в зависимости от необходимости, электронный или ионный ток.
Недостатками устройства [4] при измерении локальных параметров потока являются:
- недостаточные точность и достоверность результатов измерений, связанные с существенным искажением зондовой характеристики под влиянием вторичной электронной эмиссии с электродов зонда, усугубляющимся наличием в зоне измерений магнитного поля неодномерной конфигурации, приводящего к неодинаковым условиям измерений в различных точках исследуемого потока плазмы;
- невозможность получения информации о нейтральной компоненте потока тяжелых частиц, так как устройство [4] не предусматривает регистрацию нейтралов.
В основе предлагаемой группы изобретений заложена задача создания способа и устройства для прямого измерения пространственного распределения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела ЭРД, как заряженных, так и нейтральных, в большей мере свободного от искажений, вызванных процессами вторичной электронной эмиссии и катодного распыления.
Техническим эффектом от реализации предлагаемого способа измерения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела ЭРД и устройства для его осуществления являются:
- возможность получения информации о нейтральной компоненте потока тяжелых частиц в плазменной струе за срезом ЭРД,
- возможность получения информации о соотношении заряженной (ионной) и нейтральной компонент в потоке тяжелых частиц в плазменной струе за срезом ЭРД,
- повышение точности и достоверности измерений.
Решение поставленной задачи и получение соответствующих технических результатов достигаются тем, что в способе измерения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела ЭРД, включающем отсечку электронного тока из плазмы и измерение ионного тока при различных величинах тормозящей ионы разности потенциалов в каждой заданной точке поперечного сечения потока, после отсечки электронного тока из плазмы в заданной точке измеряют плотность тепловой мощности потока тяжелых частиц в различных направлениях в каждой из двух взаимно перпендикулярных плоскостей и определяют направление движения исследуемой части потока по максимуму измеренной величины плотности тепловой мощности, по которой судят о суммарной плотности потока энергии тяжелых частиц, затем в направлении максимума плотности тепловой мощности потока одновременно с измерением ионного тока при различных величинах тормозящей ионы разности потенциалов измеряют плотность тепловой мощности потока, по которым судят о плотности потока энергии нейтралов, функции распределения ионов по энергиям, величине их средней энергии и соотношении заряженной и нейтральной компонент в потоке тяжелых частиц в точке измерения.
Предлагаемый способ измерения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела электроракетного двигателя реализуется устройством, содержащим выполненный из электропроводящего немагнитного материала корпус с входным окном, коллектор, который имеет токоввод, электрически связан с измерителем тока и размещен в корпусе напротив входного окна, и установленную перед коллектором, по крайней мере, одну сетку с токовводом, коллектор электрически изолирован от корпуса и сеток, токовводы которых размещены в корпусе и электрически изолированы от него и друг от друга, путем снабжения его коллиматором, который размещен в корпусе и закреплен в его входном окне с возможностью перемещения центра выходного отверстия коллиматора по дуге окружности вокруг центра входного окна корпуса посредством шарнирно соединенной с ним через шатун штанги, при этом коллектор выполнен в виде калориметра с обращенной к коллиматору вогнутой цилиндрической поверхностью, радиус кривизны R которой превышает расстояние L от центра входного окна корпуса до центра выходного отверстия коллиматора, а ось перпендикулярна плоскости возможного перемещения центра выходного отверстия коллиматора и пересекает ее в центре входного окна корпуса, кроме того, корпус имеет вал, ось вращения которого лежит в плоскости возможного перемещения центра выходного отверстия коллиматора, перпендикулярна оси вогнутой цилиндрической поверхности коллектора и пересекает ее в центре входного окна корпуса, который электрически соединен с коллиматором, при этом каждая сетка размещена вне корпуса.
Совокупность конструктивных особенностей корпуса, коллиматора и коллектора, в сочетании с калориметрическим методом нахождения максимума тепловыделения на коллекторе, обеспечивает возможность ориентации измерительной части предлагаемого устройства по направлению движения исследуемой части потока тяжелых частиц и позволяет прямыми измерениями осуществить определение угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела электроракетного двигателя.
Сопоставительный анализ предлагаемого способа измерения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела электроракетного двигателя и конструктивных особенностей осуществляющего его устройства с современным уровнем подобного рода техники и отсутствие описаний аналогичных способов и устройств в известных источниках информации позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемой группы изобретений критерию «новизна».
Заявляемые способ и устройство характеризуются совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».
На прилагаемом чертеже схематически изображено предлагаемое устройство для измерения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела электроракетного двигателя и его положение относительно двигателя во время производства измерений.
Устройство содержит выполненный из электропроводящего немагнитного материала корпус 1 с входным окном 2; изолированный от корпуса коллектор 3, снабженный токовводом 4; по крайней мере, одну сетку 5 с токовводом 6 и коллиматор 7.
Коллектор 3 электрически связан с измерителем тока (не показан) и размещен в корпусе 1 напротив входного окна 2.
Коллиматор 7 установлен внутри корпуса 1, электрически соединен с ним и закреплен во входном окне 2 корпуса 1 так, чтобы осуществлялась возможность перемещения центра 8 выходного отверстия 9 коллиматора 7 по дуге окружности (поворот коллиматора) вокруг центра 10 входного окна 2 корпуса 1. Поворот коллиматора 7 осуществляется посредством шарнирно соединенной с ним через шатун 11 штанги 12. Коллектор 3 выполнен в виде калориметра с обращенной к коллиматору 7 вогнутой цилиндрической поверхностью. Радиус кривизны R этой поверхности коллектора 3 превышает расстояние L от центра 10 входного окна 2 корпуса 1 до выходного отверстия 9 коллиматора 7, а ось вогнутой цилиндрической поверхности перпендикулярна плоскости перемещения центра 8 выходного отверстия 9 коллиматора 7 и пересекает ее в центре 10 входного окна 2 корпуса 1. Кроме того, корпус 1 имеет полый вал 13, ось вращения 14 которого лежит в плоскости возможного перемещения центра 8 выходного отверстия 9 коллиматора 7, перпендикулярна оси вогнутой цилиндрической поверхности коллектора 3 и пересекает ее в центре 10 входного окна 2 корпуса 1. При этом каждая из возможных сеток 5 размещена вне корпуса 1, а ее токоввод расположен в корпусе 1 и электрически изолирован от него.
Для пояснения процесса измерения на чертеже схематически изображены электроракетный двигатель 15, его ось симметрии 16 и факел 17.
В качестве коллектора 3 возможно использование любого типа калориметра, способного измерять помимо тепловой мощности ток приходящих на него заряженных частиц.
Предлагаемый способ измерения угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц в плазме факела электроракетного двигателя может быть проиллюстрирован конкретным примером работы описанного выше устройства.
1
Перед измерением угловых и энергетических характеристик потока тяжелых частиц устройство помещают в факел 17 электроракетного двигателя 15 или иной поток плазмы так, чтобы центр 10 входного окна 2 корпуса 1 совпадал с заданной точкой в плоскости, проходящей через ось симметрии 16 двигателя 15, а ось вращения 14 вала 13 устройства находилась также в этой плоскости. Затем, после подачи потенциала φ на сетку 5, коллиматор 7 ориентируют по направлению движения потока частиц в точке измерения по максимуму величины тепловыделения на коллекторе 3 последовательно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях:
- поворотом в плоскости возможного перемещения центра 8 выходного отверстия 9 коллиматора 7 в пределах возможных угловых перемещений (на угол ±α относительно перпендикуляра к оси вращения 14 вала 13) вокруг оси вогнутой цилиндрической поверхности коллектора 3, перпендикулярной оси симметрии двигателя 15 и оси вращения 14 вала 13 устройства и проходящей через центр 10 входного окна 2 корпуса 1, с помощью штанги 12, шарнирно соединенной с коллиматором 2 через шатун 11, при этом на изображенной схеме устройства ось вращения коллиматора 7 совпадает с осью вогнутой цилиндрической поверхности коллектора 3 и проходит через центр 10 входного окна 2 корпуса 1, а пунктиром показано одно из крайних возможных положений коллиматора 7;
- поворотом в плоскости, перпендикулярной плоскости возможного перемещения центра 8 выходного отверстия 9 коллиматора 7 корпуса 1 вместе с сеткой 5 с помощью полого вала 13, ось вращения 14 которого лежит в плоскости возможного перемещения центра 8 выходного отверстия 9 коллиматора 7, перпендикулярна цилиндрической поверхности коллектора 3 и проходит через центр 10 входного окна 2 корпуса 1.
3
2
Результатом процесса ориентации коллиматора 7 является определение углового положения максимума тепловыделения на коллекторе 3 в каждой из двух вышеуказанных взаимно перпендикулярных плоскостей. По завершении процесса ориентации положение коллиматора 7 фиксируют и определяют угловые характеристики исследуемого потока в точке измерения по величине перемещения штанги 12 и углу поворота устройства вокруг оси 14. Затем производят измерение тепловой мощности на коллекторе 3, приносимой сюда ионами и нейтралами, и по полученным результатам измерений судят об угловых характеристиках и суммарной плотности потока энергии в точке измерения. И, наконец, задавая и изменяя тормозящую для ионов разность потенциалов φ-φ между коллектором 3 и коллиматором 7, измеряют соответственно ток и тепловую мощность, выделяемую на коллекторе 3, по которым судят об угловых характеристиках и плотности потока энергии, переносимой нейтралами, функции распределения ионов по энергиям и величине их средней энергии, а также о соотношении заряженной (ионной) и нейтральной компонент в потоке тяжелых частиц в точке измерения. При необходимости в каждой заданной точке исследуемого потока процесс измерения повторяют.
3
2
3
2
3
2
Необходимо подчеркнуть, что функции коллектора 3 определены возможностью одновременного измерения как тепловой мощности (действуя как калориметр), так и тока (т.к. электрически связан с измерителем тока), приходящих на его поверхность частиц. Очевидно, что при такой совокупности свойств коллектор 3 во время измерений выдает одновременно информацию и о токе ионов, и об энергии тяжелых частиц, приходящих на него. При этом в зависимости от цели измерений, способа обработки и формата представления полученного экспериментального материала (в абсолютных или относительных единицах) можно получить различную информацию. Например, после выполнения процедуры ориентации устройства в точке измерения с помощью калориметрических возможностей коллектора 3 можно получить при отсутствии тормозящей ионы разности потенциалов (φ-φ=0) информацию о величине суммарной мощности, приносимой тяжелыми частицами (ионами и нейтралами) на поверхность коллектора 3. При этом величина плотности тепловой мощности, выделяемой на коллекторе 3, находится путем деления полученной абсолютной величины на площадь входного окна 2 коллиматора 7. При наличии разности потенциалов φ-φ, полностью тормозящей ионы, с коллектора 3 можно получить информацию по тепловой мощности, выделяемой на коллекторе 3, о плотности потока энергии нейтралов, а путем вычитания последней из суммарной плотности потока энергии тяжелых частиц можно получить представление о плотности потока энергии ионов. При изменении тормозящей ионы разности потенциалов φ-φ можно снять зависимость ионного тока от величины этой разности потенциалов и на ее основе построить функцию распределения ионов по энергиям.