Локальные характеристики плазмы и уровень колебаний электромагнитного поля в холловском двигателе при изменении проводимости стенок разрядной камеры

УДК 629.7.087

С. Н. Кулагин, А. В. Дробот, Л. Г. Дубовик

ЛОКАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАЗМЫ И УРОВЕНЬ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ХОЛЛОВСКОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПРОВОДИМОСТИ СТЕНОК РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЫ

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния проводимости стенок разрядной камеры (РК) на локальные характеристики плазмы в холловском двигателе малой мощности. Полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии проводимости стенок РК на локальные характеристики плазмы, что, в конечном счете, приводит к изменению интегральных характеристик двигателя и уровня колебаний электромагнитного поля.

В настоящее время эффективным инструментом для научных и прикладных исследований в космосе являются космические аппараты массой менее 100 кг (микроспутники). Предпосылкой для создания и развития микроспутников послужила совокупность ряда факторов, делающих эти системы наиболее пригодными и универсальными в условиях изменяющихся акцентов назначения космических аппаратов. Снижение массы и габаритов КА требует разработки соответствующих двигательных установок для систем ориентации, стабилизации и коррекции орбиты КА.

Перспективным двигателем для МС является холловский двигатель (ХД), что обусловлено его конструктивной простотой, надежностью и принципиальной возможностью получения необходимых тягово-энергетических характеристик. Применение ХД на космических аппаратах массой меньше 100 кг сдерживается, в основном, их малой энерговооруженностью (N < 100 Вт). Отсутствие достаточно отработанных ХД указанного уровня мощности обусловливает необходимость их дальнейшего совершенствования и отработки, так как существующие образцы имеют сравнительно низкий КПД. Следовательно, поиск способов повышения эффективности ХД малой мощности (ХДММ) при минимизации энергопотребления является весьма актуальной задачей.

В работе [1] предлагается новая концепция холловского двигателя с разделением проводящего канала на несколько секций. Эта схема по сравнению с традиционной позволяет увеличить ресурс, уменьшить вторичную электронную эмиссию и снизить потери разрядной мощности, что приводит к увеличению КПД. Подтверждена принципиальная возможность создания ХД с проводящим секционированным каналом при сравнительно высокой эффективности (около 60%).

В работе [2], с целью определения влияния проводимости стенок разрядной камеры в районе переднего среза на эффективность работы ХД малой мощности, были проведены экспериментальные исследования характеристик двигателя, конструкция которого позволяла оперативно менять полюсные наконечники и соответственно проводимость стенок РК.

В исследованной модели разрядная камера состояла из трех секций: первая образована внутренними стенками полого анода-газораспределителя, вторая — стенками изоляторов, третья — стенками полюсных наконечников, для изготовления которых использовались алюмонитрид бора (диэлектрик) и пиролитический графит (проводник). Показано, что в рассмотренном диапазоне мощностей (40-160 Вт) использование проводящих полюсных наконечников приводит к увеличению КПД холловского двигателя на -1-2 %.

Целью настоящей работы является исследование влияния проводимости полюсных наконечников на распределение локальных характеристик плазмы в разрядной камере ХД малой мощности.

Исследование локальных параметров плазмы в РК двигателя, схема которого приведена в [2], проводилось зондовым методом. Для этих целей использовался цилиндрический Ленгмюровский зонд, закрепленный в однокоординатном манипуляторе, позволявшем перемещать зонд вдоль оси РК. Координатное устройство закреплялось на заднем фланце двигателя, при этом, зонд вводился со стороны анода и перемещался вдоль срединной поверхности РК. Изолятором зонда служила трубка из электротехнического фарфора с наружным диаметром 1,5 мм. Собирающая поверхность зонда имела диаметр 0,5 мм и длину 1,2 мм (вольфрамовая проволока). Электрическая схема подключения зонда показана на рис. 1.

© С. Н. Кулагин, А. В. Дробот, Л. Г. Дубовик, 2009 — 28 —

Р: :>1 ь^тм»^ кя^

Рис. 1. Электрическая схема зондовых измерений

На схему от источника питания ТЭС-20 подавалось стабилизированное напряжение 100 В. Спаренные резисторы Я1, Я2 позволяли получить нулевую точку. Результаты измерений регистрировались двухкоординатным самописцем ЛКД-4. Резистор Я5 подключался при тарировке самописца микроамперметром М 2038 с погрешностью 0,5%, диоды Б1, Б2 позволяли получить логарифмическую характеристику зондового тока.

Вход «Х» через делитель напряжения Я3, Я4 регистрировал напряжение между анодом двигателя и зондом. Вход «У» регистрировал падение напряжения на диодах Б1, Б2, зависящее от зон-дового тока.

Ввиду большой плотности тепловых потоков на зонд во избежание его перегрева двигатель работал в режиме однократных импульсов длительностью 1,5 с. Подача напряжения на зонд для снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) была синхронизирована со временем горения разряда, т.е. при зажигании разряда одновременно на зонд подавалось определенное значение напряжения. В течение паузы длительностью 5 с выставлялось следующее значение напряжения, и при очередном включении разряда фиксировалась следующая точка ВАХ зонда.

\

\ г_г-.

К- • -"

~ \ ч

Р зн ОТ I

Рис. 2. Спектр колебаний электромагнитного поля

Вольт-амперные характеристики зонда для оценки температуры электронов и потенциала плазмы обрабатывались графически по стандартной методике [3]. Концентрация заряженных частиц рассчитывалась по соотношению:

где I, — ионный ток насыщения; 5 — площадь собирающей поверхности зонда; М — масса атома рабочего вещества; е — заряд электрона; Те — температура электронов; пе — концентрация электронов.

При этом предполагалось справедливым условие квазинейтральности плазмы пе ^ п,, где

п, — концентрация ионов.

Измерения проводились при фиксированных массовом расходе ксенона (0,94 мг/с), разрядном напряжении (120 В) и токе катушки намагничивания, соответствующем минимальному току разряда.

Распределения потенциала плазмы фпп , напряженности электрического поля Е , температуры электронов Те и концентрации плазмы п, приведены на рис. 3 (в, г, д, е). Там же приведены элементы конструкции РК и распределение радиальной составляющей магнитной индукции В (а, б).

Полученные данные показывают:

— в случае использования проводящих полюсных наконечников, потенциал плазмы спадает «быстрее», чем для диэлектрических, что свидетельствует о смещении слоя ионизации и ускорения в сторону анода и может быть объяснено шунтированием слоев плазмы с различным потенциалом проводящими стенками РК;

— максимальная напряженность электрического поля выше для проводящих стенок РК;

— температура электронов при диэлектрических стенках РК ниже, что свидетельствует о возможном механизме «охлаждения» электронной компоненты при взаимодействии со стенкой РК;

— концентрация ионов в районе переднего среза анода выше для проводящих наконечников, что связано со смещением зоны интенсив -ной ионизации в сторону анода.

В целом полученные данные свидетельствуют о значительном влиянии проводимости стенок РК на локальные характеристики плазмы, что, в конечном счете, приводит к изменению интегральных характеристик двигателя.

1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009

— 29 —

Рис. 3. Элементы конструкции РК (а), распределение магнитного поля (б) и локальные характеристики плазмы

Перечень ссылок

1. Zhakupov A. Hall Thruster With a Sectioned Conducting Channel / A. Zhakupov, S. Khartov, L. Latyshev // Proc. 3rd International Conference on Spacecraft Prorulsion. ESA SP-465. — France : Cannes, 2000. — Р. 277—279.

2. Кулагин С.Н. Влияние проводимости стенок разрядной камеры на эффективность хол-

ловского двигателя / С. Н. Кулагин, Л. Г. Дубовик, В. Н. Балашов // Вгсник двигунобуду-вання. — 2007. — № 1. — С. 27—29.

3. Меликов И. В. Экспериментальное исследование внутрианодных процессов в ускорителе с замкнутым дрейфом электронов (УЗДП) / И. В. Меликов // ЖТФ. — М., 1974. — Т. ХЫУ, № 1. — С. 59—64.

Поступила в редакцию 13.10.2008

Наведено результати експериментальних до^джень впливу npoeidHocmi стток роз-рядно1 камери (РК) на локальт характеристики плазми в xomiecbKOMy deueyrni мало1 по-тyжностi. Одержат дат свiдчать про значний вплив провiдностi стток РК на локальт характеристики плазми, що в резyльтатi призводить до змти ттегральних характеристик двигуна.

The article shows the results of experimental researches of the discharge chamber (DC) wall conductivity influence on local plasma characteristics in a low power Hall engine. The data received confirm significant DC wall conductivity influence on local plasma characteristics, which eventually results in changing integral engine characteristics and electromagnetic field oscillations as well.

ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2СЮ9

— 31 —