СПОСОБ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ КАТОДОВ ПЛАЗМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ACCELERATED TEST OF PLASMA ENGINE CATHODES AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к области электрореактивных двигателей (ЭРД), а именно к вольфрам-бариевым катодам, которые широко используются в составе различных плазменных двигателей (холловских, ионных). При необходимости она может быть использована также в самых различных областях техники, в том числе в смежных областях, например, при проведении испытаний катодов для источников плазмы или катодов для сильноточных плазменных двигателей.
Проблема обеспечения ресурса является актуальной для самых различных устройств, используемых в самых различных областях техники. Для катодов, являющихся одним из основных элементов конструкции большинства ЭРД, эта проблема становится особенно острой.
Требуемый ресурс работы современных ЭРД и, соответственно, их катодов достигает десятков тысяч часов [А.И. Морозов ″Введение в плазмодинамику″, М.: ″ФИЗМАТЛИТ″, 2006 г.; О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда ″Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов″ / Под ред. А.С. Коротеева ″Машиностроение″, 2008 г.]. От современных ЭРД требуется не только длительный ресурс работы в режиме создания тяги, но и обеспечение многократных включений. Поэтому от их катодов также требуется большое число включений, исчисляемое нередко десятками тысяч. Для того чтобы провести ресурсные испытания хотя бы одного экземпляра катода с такими ресурсными характеристиками в наземных условиях, потребуется не один год работы. При этом будет задействована дорогостоящая вакуумная установка, будут истрачены значительные средства, потребуются немалые трудовые затраты квалифицированных кадров. Следует также учитывать, что как для подтверждения надежности выпускаемых катодов, так и для исследования их ресурсных характеристик необходимо проведение испытаний множества экземпляров катода.
В связи с этим возникает необходимость поиска других путей для подтверждения ресурсных характеристик катодов. Одним из таких путей является использование методов их ускоренных испытаний. Сокращение времени ресурсных испытаний позволяет избежать колоссальных затрат при проведении полномасштабных ресурсных испытаний. Следует отметить, что за рубежом до последнего времени преобладал следующий подход при оценке ресурсных характеристик катодов ЭРД [Баранов. В.П., Васин А.И., Петросов В.А. ″Проблемы ускоренных испытаний ЭРД″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991 г.; Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482]. Проводились единичные наземные демонстрационные испытания того или иного катода в номинальном эксплуатационном режиме, ресурс которых превышал требуемый ресурс. Положительный результат таких испытаний вселял надежду, что аналогичные катоды будут обладать такими же характеристиками. Однако такие испытания не способны подтвердить характеристики надежности выпускаемых изготовителем катодов.
Совсем не случайно, что в практике использования многих холловских и ионных двигателей ускорительная камера двигателя снабжена не одним, а двумя катодами, первый из которых является рабочим катодом, второй - резервным [Arhipov В., Bober A., Gnizdor R., Kozubsky K., Maslennikov N., Pridannikov S. ″Results of 7000-hour SPT-100 life test″ 24-th International Electric Propulsion Conference, IEPC-95-39, Moskow (Russia), 1995; V.N. Akimov, O.A.Gorshkov, A.I.Vasin, V.N.Shutov et al. "Development of KM-5 hall effect thruster and it flight testing onboard GEO spacecraft ″Express-A4″, Progress in Propulsion Physics, EUCASS book series, Ed. ву L.De Luca, Torus Press, vol.1, 2009, p.411-424].
Таким образом, проблема разработки эффективных методов ускоренных испытаний катодов является очень актуальной.
Однако решить эту проблему достаточно сложно. Прежде всего, это связано с тем, что к настоящему времени еще не разработаны полноценные физико-математические модели изменения базовых параметров деградации в зависимости от времени работы катодов. Это не позволяет создавать прогностические модели ресурса, на основании которых можно было бы по ограниченным по времени испытаниям делать надежное заключение о ресурсе того или иного катода [″Методические указания. Надежность в технике. Ускоренные испытания. Основные положения″, РД 50-424-83, М.: Издательство стандартов, 1984 г.]. Получение же полноценных экспериментальных данных о ресурсных характеристиках тех или иных катодов требует проведения очень продолжительных испытаний. При этом методы неразрушающего контроля применительно к вольфрам-бариевым катодам развиты слабо, что связано со сложностью инспектирования основной рабочей части катода и его эмиттера в процессе проведения испытаний. Доступ к эмиттеру в вольфрам-бариевых диафрагмированных катодах (а именно такие катоды используются обычно в составе ионных и холловских двигателей) практически отсутствует. Как правило, эмиттер может быть подвергнут детальному анализу только после разборки катода на составные элементы без возможности его последующего восстановления.
Таким образом, создание эффективного метода ускоренных испытаний вольфрам-бариевых катодов является не только актуальной, но и непростой задачей. При этом если говорить о существенном уменьшении времени проведения ускоренных испытаний катодов по сравнению со временем проведения полномасштабных испытаний (примерно в 10 раз), то основным принципом ускорения следует признать принцип форсирования режима испытаний, а не принцип уплотнения рабочих циклов, сокращения перерывов в работе, устранения простоев и т.п. [″Методические указания. Надежность в технике. Ускоренные испытания. Основные положения″, РД 50-424-83, М.: Издательство стандартов, 1984 г.], то есть принцип ускорения испытаний за счет интенсификации процессов, вызывающих деградацию катодов. В результате возникает необходимость в комплексном учете основных физических явлений, приводящих к деградации катода при его длительной работе, то есть при проведении ускоренных испытаний необходимо учитывать одновременное воздействие всех базовых факторов деградации, что особенно важно для вольфрам-бариевых катодов, имеющих не один, а несколько базовых факторов деградации (см. ниже).
Известен способ ускорения ресурсных испытаний катодов-компенсаторов холловских двигателей [Гришин С.Д., Кашенков В.И., Клименко Г.К., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Чурсин М.М. ″Ресурсные испытания катода-компенсатора на пусковых режимах и пути их ускорения″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991 г.], в котором в качестве базового фактора деградации учитывалась только пусковая эрозия эмиттерной части катода. Основная идея данного метода заключается не в прямом форсировании режима поджига, режима стартового подогрева или режима горения дугового разряда, а в сокращении времени остывания катода после завершения поджига при сохранении фиксированного времени дугового разряда, то есть времени работы катода, в течение которого происходит стабилизация температуры катода. При этом в данном способе также осуществляется некоторое форсирование режима работы катода за счет того, что не осуществляется его полное остывание и каждый новый рабочий цикл катода начинается со стартового разогрева при повышенной температуре эмиттерной части катода.
Упомянутый способ позволяет несколько сократить время ресурсных испытаниях катода при значительном требуемом количестве его запусков. Однако коэффициент ускорения при использовании данного способа невелик, так как время полного цикла запуска катода при проведении его ресурсных испытаний на число включений соизмеримо со временем его стартового разогрева и временем дугового разряда. По крайней мере, величина коэффициента ускорения при использовании данного метода заметно меньше 10. Кроме того, он учитывает только воздействие одного фактора деградации, а именно фактора эрозии эмиттерной части катода.
Надо отметить, что в практике проведения ресурсных испытаний катодов на число включений этот способ так или иначе все равно реализуется. Время остывания эмиттерной части катодов, испытываемых в вакууме, до начальной (комнатной) температуры составляет порядка часа. Поэтому при проведении ресурсных испытаний катодов на число включений не доводят катод до полного остывания, иначе суммарное время ресурсных испытаний катодов станет чрезмерно большим.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности признаков является способ проведения ускоренных ресурсных испытаний катодов плазменных двигателей и устройство для его осуществления [Кашенков В.И., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Пехтерев С.В., Чурсин М.М. ″Теоретические предпосылки ускоренных ресурсных испытаний катодов-компенсаторов в форсированном режиме″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991], заключающийся в том, что при проведении автономных огневых испытаний катода осуществляют форсирование износа эмиттерной части катода путем увеличения тока разряда и замены штатного плазмообразующего газа (обычно газа Xe) модельным, имеющим больший потенциал ионизации. В процессе испытаний осуществляют измерение базовых параметров деградации катода.
При использовании данного способа увеличивается температура эмиттера, плотность потока и энергия ионов, бомбардирующих эмиттер, что приводит к возрастанию скорости как термического испарения, так и катодного распыления. Это и вызывает интенсификацию износа эмиттерной части катода.
Увеличение температуры эмиттера и плотности потока энергии ионов, бомбардирующих эмиттер, достигается одновременно как повышением тока разряда, так и использованием модельного газа с более высоким потенциалом ионизации, то есть в данном случае осуществляется комплексное форсирование двух основных факторов деградации - испарения материала при высокой температуре и эрозии при воздействии ионной бомбардировки.
Однако данный способ не лишен недостатков. Этот способ, прежде всего, применим к гексаборид-лантановым катодам, в которых основными физическими явлениями, приводящими к деградации катода в процессе ресурса, то есть базовыми факторами деградации, являются унос материала с эмиттерной части катода (точнее говоря, эрозия выходного отверстия диафрагмы эмиттера и выходной части самого эмитира), а также диффузия материала корпуса, охватывающего по внешней поверхности эмиттер, в сторону эмиттера через защитный ″барьерный″ слой, приводящая к химическому взаимодействию эмиттера с продуктами диффузии [Баранов В.И., Васин А.И., Петросов В.А. ″Модель эрозии эмиттера полого катода для прогнозирования ресурса по результатам ускоренных испытаний″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991]. Такое внимание к гексаборид-лантановым катодам не случайно, оно связано с тем, что до последнего времени в отечественной практике наиболее широко применялись гексаборид-лантановые катоды разработки ОКБ ″Факел″ [5], в то время как за рубежом интенсивно развивались и продолжают развиваться вольфрам-бариевые катоды [Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482; V.N. Akimov, O.A.Gorshkov, A.I.Vasin, V.N.Shutov et al. "Development of KM-5 hall effect thruster and it flight testing onboard GEO spacecraft ″Express-A4″, Progress in Propulsion Physics, EUCASS book series, Ed. ву L.De Luca, Torus Press, vol.1, 2009, p.411-424].
Как показывает анализ, основанный на результатах длительных испытаний вольфрам-бариевых катодов (см., например, [Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482]) данные катоды имеют другой перечень базовых факторов деградации, в котором унос материала с эмиттерной части катода не является единственным фактором деградации. Он включает в себя следующие факторы:
- унос бария из объема эмиттера, сопровождающийся его обеднением на рабочей поверхности эмиттера, что приводит к ухудшению его эмиссионных свойств,
- отравление эмиттера различными веществами, поступающими к нему из окружающей среды, в том числе в виде примесей с рабочим телом при работе катода (основным отравляющим веществом является кислород [Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482]),
- унос материала диафрагмы эмиттера за счет эрозии, что приводит к изменению геометрии проточной части, а также к ухудшению условий горения дуги и поджига разряда катода.
При этом базовыми параметрами деградации вольфрам-бариевых катодов, то есть параметрами, измеряемыми в процессе ресурсных испытаний катодов и свидетельствующими об их ресурсных характеристиках, являются следующие:
напряжение разряда между катодом и анодом, определяемое при огневых испытаниях катода на номинальном режиме (по току разряда и расходу рабочего тела),
- температура эмиттера при работе катода,
- температура эмиттера при стартовом поджиге разряда,
- время стартового разогрева катода.
Использование способа ускоренных испытаний в соответствии с [Кашенков В.И., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Пехтерев С.В., Чурсин М.М. ″Теоретические предпосылки ускоренных ресурсных испытаний катодов-компенсаторов в форсированном режиме″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991] не учитывает все факторы деградации, характерные для вольфрам-бариевых катодов, поэтому он не может быть в полной мере применим к данным катодам.
Кроме того, как было указано в [Кашенков В.И., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Пехтерев С.В., Чурсин М.М. ″Теоретические предпосылки ускоренных ресурсных испытаний катодов-компенсаторов в форсированном режиме″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991], разработка этого способа не завершена и для окончательного вывода о его применении при проведении форсированных испытаний даже гексаборид-лантановых катодов требуются дополнительные экспериментальные исследования. К тому же данный способ не нашел широкого использования при ресурсных испытаниях катодов.
Следует также добавить, что данный способ не позволяет детально исследовать воздействие каждого фактора деградации на ресурс катода, поскольку в нем осуществляется одновременное форсирование всех основных факторов деградации. Повышение тока разряда и использование модельного рабочего тела в гексаборид-лантановых катодах приводит одновременно к интенсификации эрозии и к повышению температуры эмиттера, что в свою очередь вызывает повышение скорости испарения эмиттера и его диафрагмы, а также интенсифицирует диффузию материала корпуса в сторону эмиттера через защитный ″барьерный″ слой. В этом случае при отказе в работе катода довольно сложно будет выявить тот фактор, который привел к отказу.
Если же применить этот способ к вольфрам-бариевым катодам, то будет осуществляться одновременное форсирование двух факторов (унос материала диафрагмы эмиттера за счет эрозии и ускорение уноса бария из объема эмиттера за счет повышения температуры). При этом может произойти существенное искажение физических процессов, что приведет к отличию процессов, протекающих при эксплуатационном режиме работы катода, от процессов, протекающих на форсированном режиме ресурсных испытаний. Так, например, увеличение тока разряда может не только привести к повышению рабочей температуры эмиттера, но и к увеличению глубины затекания разряда в его внутреннюю полость, а также к повышению напряжения разряда на катоде, что не характерно для эксплуатационного режима работы катода. Замена рабочего тела на модельный газ может не только изменить глубину затекания разряда во внутреннюю полость эмиттера, но и за счет изменения условий ионной бомбардировки привести к таким изменениям поверхностных свойств эмиттера и диафрагмы эмиттера, которые не свойственны изменениям при эксплуатационном режиме работы катода. То есть использование данного способа может быть сопряжено с заметным искажением физических процессов, протекающих в эксплуатационном режиме работы катода. В результате может произойти перефорсирование катода. Если же применить небольшое увеличение тока разряда по сравнению с номинальным и использовать газ с параметрами, близкими к основному рабочему телу таких катодов (газу ксенону), то это приведет к низким коэффициентам ускорения.
Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является осуществление комплексного учета воздействия всех базовых факторов деградации катода при проведении ускоренных ресурсных испытаний, существенное сокращение времени проведения ресурсных испытаний катода и обеспечение возможности исследования воздействия каждого фактора деградации на ресурсные характеристики катода.
Поставленная задача достигается тем, что проводят автономные огневые испытания катода, осуществляют многократное его включение, измеряют его базовые параметры деградации, проводят испытания в форсированном режиме работы катода, при этом испытания разбивают на этапы, при выполнении каждого этапа производят форсирование одного из факторов деградации при одновременном воздействии на катод всех остальных факторов деградации в эксплуатационном режиме, причем форсирование каждого из факторов деградации осуществляют, по меньшей мере, один раз.
При этом испытания могут быть проведены таким образом, что этапы группируют в несколько частей, число этапов в которых равно числу основных факторов деградации, причем в каждом из данных этапов производят форсирование фактора деградации, отличного от всех остальных.
Испытания могут быть проведены таким образом, что после завершения каждого этапа испытаний производят, по меньшей мере, одно включение и работу катода на основном эксплуатационном режиме без форсирования какого-либо фактора деградации. Испытания могут быть проведены также таким образом, что форсирование фактора деградации, заключающегося в отравлении эмиттера, производят путем добавления к рабочему телу, используемому при эксплуатации вольфрам-бариевого катода, отравляющих катод примесей.
Испытания могут быть проведены также таким образом, что форсирование фактора деградации, заключающегося в уносе бария из вольфрам - бариевого катода, производят путем перегрева его эмиттера посредством включения стартового нагревателя в режиме меньшей мощности, чем мощность стартового разогрева вольфрам-бариевого катода.
Испытания могут быть проведены также таким образом, что форсирование фактора деградации, заключающегося в эрозии эмиттерного узла вольфрам-бариевого катода, производят путем исключения из циклограммы ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода цикла остывания его эмиттерного узла ниже температуры, при которой обеспечивается поджиг разряда вольфрам-бариевого катода.
Устройство для проведения ускоренных испытаний катодов плазменных двигателей включает в себя вакуумную камеру с системой насосов, систему подачи рабочего тела, систему электропитания, включающую источник стартового разогрева катода, монтажный узел с установленным напротив катода анодом, систему измерения базовых параметров деградации. Устройство снабжено дополнительной системой подачи, в которой используется рабочее тело с добавлением к нему отравляющих катод примесей, причем выход дополнительной системы подачи через клапан соединен с выходом основной системы подачи, а источник питания стартового нагревателя снабжен переключателем для перехода в режим длительной работы с меньшей мощностью, чем мощность стартового разогрева катода.
Изобретение поясняется прилагаемыми рисунками. На фиг.1 представлена циклограмма проведения части ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода, включающая в себя несколько этапов испытаний, на фиг.2 - общая циклограмма ускоренных ресурсных испытаний катода. На фиг.3 представлен порядок проведения этапа ресурсных испытаний катода при форсировании фактора эрозии его эмиттерного узла. На фиг.4 изображена схема экспериментальной установки для проведения автономных огневых испытаний вольфрам-бариевого катода.
Способ ускоренных испытаний катодов плазменных двигателей заключается в том, что проводят автономные огневые испытания катода, в процессе которых осуществляют измерение базовых параметров деградации, а также производят форсирование факторов деградации. Испытания разбивают на этапы, при выполнении которых производят поочередно форсирование одного из факторов деградации при одновременном воздействии на катод всех остальных факторов деградации в эксплуатационном режиме.
То есть основная идея метода заключается в том, чтобы комплексное эксплуатационное воздействие всех основных факторов деградации, действующих на катод в процессе его длительного использования в эксплуатационном режиме, заменить на форсирование одного из факторов деградации при одновременном отсутствии форсирования всех остальных факторов деградации и при этом последовательно осуществлять форсирование сначала одного фактора деградации, затем другого и так до последнего.
Разбивка на этапы, в которых осуществляется одновременное воздействие всех факторов деградации, характерных для катода, позволяет комплексно учитывать все эти факторы в процессе проведения ресурсных испытаний катода. При этом форсирование только одного из факторов деградации на каждом этапе позволяет осуществлять ускорение ресурсных испытаний по этому фактору и одновременно дает возможность отдельного детального исследования воздействия этого фактора на ресурсные характеристики катода. Поскольку форсирование каждого из факторов деградации осуществляют по меньшей мере один раз, то обеспечивают форсирование всех факторов деградации, что позволяет проводить последовательное ускорение испытаний по всем факторам деградации катода.
Можно группировать этапы в несколько частей, число этапов в которых равно числу основных факторов деградации. При этом в каждом из этапов одной части следует производить форсирование фактора деградации, отличного от всех остальных (см. фиг. 1). Таким образом, каждая часть будет содержать в себе один этап форсирования каждого фактора деградации и этих частей будет несколько, что обеспечит форсирование каждого фактора деградации несколько раз в процессе ускоренных ресурсных испытаний. Это позволит производить более полноценный учет воздействия всех факторов деградации на базовые параметры деградации и, соответственно, на ресурсные характеристики катода. Кроме того, разбивка испытаний на части позволяет более детально проводить исследования воздействия каждого фактора деградации на ресурсные характеристики катода.
Чем больше будет количество таких частей в общей циклограмме ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевых катодов (см. фиг.2), тем точнее будет моделироваться реальный процесс деградации данных катодов при их натурной эксплуатации. С другой стороны, общее количество этих частей не должно быть чрезмерно большим, оно должно также определяться, исходя из стендовых условий проведения ускоренных испытаний. Если увеличение количества этих частей приводит к заметному увеличению суммарного времени испытаний, что может быть связано в том числе и с необходимыми паузами между этапами, то количество их следует ограничить.
После завершения каждого этапа испытаний можно производить, по меньшей мере, одно включение и работу вольфрам-бариевого катода на основном эксплуатационном режиме без форсирования какого-либо фактора деградации с целью оценки степени изменения базовых параметров деградации, характеризующих работоспособность вольфрам-бариевого катода в эксплуатационном режиме (см. фиг.1). Это позволит оценить степень деградации вольфрам-бариевого катода на каждом этапе испытаний, выявить основной фактор его деградации в данном периоде испытаний, своевременно принять меры по усовершенствованию вольфрам-бариевого катода.
Форсирование фактора отравления эмиттера можно производить путем добавления к рабочему телу, используемому при эксплуатации вольфрам-бариевого катода, отравляющих катод примесей. Как правило, при штатной эксплуатации вольфрам-бариевых катодов используется ксенон высокой чистоты (ГОСТ 10219-77, содержание ксенона 99,9997%). Оценки показывают, что на каждый атом примесей, способных оказать отравляющее воздействие на эмиттер катода (прежде всего, такими атомами являются атомы кислорода, в составе примесей присутствуют также атомы инертных газов и различные соединения), приходится очень много атомов ксенона ~100000. При такой малой доле примесей вероятность того, что все химически активные атомы примеси при попадании в зону эмиттера будут участвовать в химических реакциях на его поверхности при работе вольфрам-бариевого катода, будет велика.
Это связано с тем, что эмиттер в вольфрам-бариевых катодах имеет, как правило, длину, значительно превосходящую его диаметр (обычно 5…10 калибров), а также с тем, что в зоне дугового разряда атомы примесей могут быть ионизованы и оказаться задействованными в процессе рециклинга вместе с частицами ксенона до образования устойчивых соединений на рабочей поверхности эмиттера, разогретой до высокой температуры. Об этом говорят результаты анализа длительных ресурсных испытаниях вольфрам-бариевого катода, изложенные в [Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482]. В этих условиях мала вероятность прохождения атомов таких активных примесей по всему газовому тракту вольфрам-бариевого катода без химического взаимодействия с материалами эмиттерной части вольфрам-бариевого катода.
В связи с этим можно считать, что увеличение доли примесей в составе рабочего тела, способных оказать отравляющее воздействие на эмиттер вольфрам-бариевого катода, даже на порядок (в этом случае на каждый атом примесей будет приходиться также очень много атомов ксенона ~10000) будет сопровождаться практически полным участием всех подаваемых в вольфрам-бариевый катод в таком соотношении отравляющих веществ материалами эмиттерных частей катода. Таким образом, коэффициент ускорения по этому фактору деградации может быть увеличен до значительного уровня ~10.
Форсирование фактора уноса бария из вольфрам-бариевого катода можно производить путем перегрева его эмиттера посредством включения стартового нагревателя в режиме мощности, уменьшенной по сравнению с мощностью стартового разогрева вольфрам-бариевого катода.
Скорость уноса бария определяется, прежде всего, температурой эмиттера. При повышении температуры повышается не только скорость испарения бария с поверхности эмиттера, но и скорость разложения окиси бария в объеме эмиттера, а также скорость диффузии бария к поверхности из глубины объема эмиттера. Повышая температуру эмиттера, можно добиться повышения скорости уноса бария. Величина коэффициента ускорения по фактору уноса бария может быть значительна, так как скорость уноса бария нелинейно возрастает с ростом температуры.
Способом форсирования уноса бария, в наименьшей степени искажающим физику процессов при эксплуатационном режиме работы вольфрам-бариевого катода (в отличие от технического решения, предложенного в [Кашенков В.И., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Пехтерев С.В., Чурсин М.М. ″Теоретические предпосылки ускоренных ресурсных испытаний катодов-компенсаторов в форсированном режиме″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991]), следует признать повышение температуры эмиттера путем дополнительного подогрева эмиттера за счет включения его стартового нагревателя. Поскольку дополнительная мощность такого разогрева будет существенно меньше мощности стартового разогрева эмиттера перед поджигом разряда катода, то это не приведет к ограничению ресурсных характеристик катода путем понижения работоспособности стартового нагревателя.
Форсирование фактора эрозии эмиттерного узла вольфрам-бариевого катода можно производить путем исключения из циклограммы ресурсных испытаний катода цикла остывания его эмиттерного узла ниже температуры, при которой обеспечивается поджиг разряда катода.
Как показывают результаты ресурсных испытаний вольфрам-бариевых катодов изменение геометрических характеристик эмимттерного узла при непрерывных испытаниях, как правило, не происходит [Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482]. Геометрические характеристики изменяются в основном в процессе поджига разряда. Именно в момент поджига, то есть в момент образования дугового разряда, эмиттерная часть вольфрам-бариевого катода подвергается наиболее интенсивному тепловому и эрозионному воздействию.
Это связано с тем, что при эксплуатационном режиме работы вольфрам-бариевых катодов, когда дуговой разряд уже сформирован, прикатодное падение потенциала находится на уровне ~10В, что ниже порога распыления многих конструкционных материалов. Потенциал плазмы, находящейся внутри полости эмиттера и в зоне диафрагмы, не сильно отличается от данной величины вследствие относительно невысоких омических затрат на протекание тока разряда в плотной достаточно ионизованной плазме, характерной для рассматриваемых вольфрам-бариевых катодов. Температура плазмы в данных вольфрам-бариевых катодах тоже невелика, она находится на уровне ~2 эВ. Поэтому во внутренней полости эмиттерной части вольфрам-бариевых катодов практически не появляются ионы с большой энергией, способной привести к заметному распылению деталей этой части, только в выходной части эмиттерной зоны может появиться некоторое количество таких ионов, возникающих в области поджигного электрода или за срезом вольфрам-бариевого катода.
При поджиге разряда вольфрам-бариевого катода ситуация совсем иная, напряжение поджига разряда для его надежной ионизации находится обычно на уровне 100…300В. В этом случае в момент поджига разряда возникают ионы с большой энергией, которые бомбардируют эмиттерную часть вольфрам-бариевого катода и прежде всего диафрагму эмиттера, находящуюся на кратчайшем расстоянии от поджигного электрода.
Таким образом, основное негативное эрозионное воздействие на эмиттерную часть вольфрам-бариевого катода будет происходить в момент поджига, а не во время подготовки поджига (стартового разогрева, подачи рабочего тела), стабилизации дугового разряда, последующего отключения или охлаждения вольфрам-бариевого катода.
Это позволяет осуществлять форсирование фактора эрозии эмиттерного узла вольфрам-бариевого катода путем исключения из циклограммы ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода цикла остывания его эмиттерного узла ниже температуры, при которой обеспечивается поджиг разряда вольфрам-бариевого катода. На фиг.3 в ее нижней части представлен порядок проведения этапа ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода при форсировании фактора эрозии его эмиттерного узла (ускоренная циклограмма). На этой же фиг.3 в ее верхней части для сравнения представлен обычно используемый порядок проведения автономных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катодов на число включений (типовая циклограмма).
При использовании типовой циклограммы проведения автономных ресурсных испытаний вольфрам-бариевых катодов на число включений каждый цикл запуска и работы вольфрам-бариевого катода начинается со стартового разогрева эмиттера, который проводится в обычном номинальном режиме. Затем в вольфрам-бариевый катод подается рабочее тело, между анодом и вольфрам-бариевым катодом подается напряжение разряда, после чего в процессе стартового разогрева вольфрам-бариевого катода производится подача напряжения поджига между эмиттером и поджигным электродом.
подж мин
мах
Подача напряжения поджига осуществляется тогда, когда температура эмиттерной части вольфрам-бариевого катода, в том числе диафрагмы эмиттера, несколько превысит минимальное значение температуры поджига разряда - Т (см. фиг.3), что повышает надежность запуска вольфрам-бариевого катода. При возникновении разряда поджига инициируется дуговой разряд между вольфрам-бариевым катодом и анодом. В этот промежуток времени температура эмиттерной части вольфрам-бариевого катода достигает максимального значения - Т, поскольку стартовый разогрев и поджиг еще не отключены и дополнительно в зоне эмиттера выделяется тепло от дугового разряда. После появления тока разряда источник питания поджига разряда и стартового разогрева отключается.
цикл 1
Затем некоторое время поддерживается дуговой разряд между вольфрам-бариевым катодом и анодом до стабилизации температуры эмиттерной части вольфрам-бариевого катода, которая, как правило, для вольфрам-бариевых катодов ниже температуры поджига разряда. После этого производят отключение дугового разряда и вольфрам-бариевый катод переходит в стадию остывания. Затем производится следующий цикл запуска с повтором всех выше описанных процедур. Полное время осуществления цикла τ, как видно из фиг.3, значительное.
При форсировании фактора эрозии эмиттерного узла первый цикл запуска и работы вольфрам-бариевого катода начинают со стартового разогрева эмиттера. Затем в вольфрам-бариевого катод подают рабочее тело, а между анодом и вольфрам-бариевым катодом подают напряжение разряда и напряжение поджига. При возникновении разряда поджига инициируется дуговой разряд между вольфрам-бариевым катодом и анодом, после чего источник питания поджига разряда и накала отключают. После краткого времени поджига разряда, сопровождающегося интенсивной пусковой эрозией, температура эмиттера и его диафрагмы начнет понижаться и дальнейшая работа вольфрам-бариевого катода в стационарном дуговом режиме уже не приведет к негативным последствиям, влияющим на ресурс работы вольфрам-бариевого катода, эквивалентным тем, которые происходят в момент запуска вольфрам-бариевого катода.
дэ
дэ
подж мин
дэ
дэ
цикл 2
подж мин
дэ
Это позволяет, не включая более нагреватель вольфрам-бариевого катода, дождаться понижения температуры диафрагмы эмиттеры Т до значения Т = Т + ΔТ, где ΔТ - запас по температуре для повышения надежности поджига (см. фиг.3). Далее следует произвести отключение дугового разряда, а затем, не отключая расход рабочего тела, произвести следующий поджиг разряда с одновременной инициацией дугового разряда между анодом и вольфрам-бариевым катодом путем включения источника поджига разряда и источника разряда ″катод-анод″. Каждый последующий акт включения вольфрам-бариевого катода следует проводить аналогичным образом до завершения этапа испытаний. Время осуществления цикла τ в данном случае будет определяться временем прохождения максимума температур эмиттерной части вольфрам-бариевого катода с его последующим кратким падением до величины Т + ΔТ.
Из приведенного выше описания следует, что использование данного способа позволяет осуществить комплексный учет воздействия всех базовых факторов деградации при проведении ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода, что дает возможность получить высокие коэффициенты ускорения и дает возможность исследования воздействия каждого фактора деградации на ресурсные характеристики катода.
Устройство для проведения ускоренных испытаний вольфрам-бариевого катода (см. фиг.4) содержит вакуумную камеру 1 с насосами 2 и 3 высокого и низкого давления соответственно. В вакуумной камере расположен монтажный узел 4, на котором установлен вольфрам-бариевый катод 5, а напротив него размещен анод 6. Система электропитания включает в себя источник поджига 7, источник питания разряда 8, источник питания стартового нагревателя 9 с переключателем 10 для перехода в режим длительной работы с меньшей мощностью, чем мощность стартового разогрева вольфрам-бариевого катода 5. Система включает в себя измерительные средства 11 с измерительными линиями 12, она служит для измерения параметров экспериментальной установки, в том числе для измерения базовых параметров деградации вольфрам-бариевого катода.
Система подачи рабочего тела в вольфрам-бариевый катод состоит из двух частей. Первая, основная часть, состоит из бака 13, регулятора и измерителя расхода 14, клапана 15, она служит для подачи в вольфрам-бариевый катод рабочего тела, используемого при штатной эксплуатации катода (см. выше). Вторая часть, состоящая из бака 16, регулятора и измерителя расхода 17, клапана 18, является дополнительной системой подачи, которая служит для подачи в вольфрам-бариевый катод рабочего тела с добавлением к нему отравляющих вольфрам-бариевый катод примесей. Для этого в бак 16 может быть добавлено определенное количество отравляющих веществ. Выход дополнительной системы подачи через клапан 18 соединяется с выходом основной части системы подачи, то есть с выходом клапана 15.
Устройство работает следующим образом. В соответствии с общей циклограммой ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода (см. фиг.2) приступают к проведению первой части ускоренных ресурсных испытаний, состоящей из нескольких этапов (см. фиг.1). Сначала приступают к первому этапу испытаний, но перед этим производят по меньшей мере одно включение и работу вольфрам-бариевого катода на основном эксплуатационном режиме без форсирования какого-либо фактора деградации (см. фиг.1) с целью определения начальных значений параметров деградации катода. Для этого в вольфрам-бариевый катод подают рабочее тело из основной части системы подачи (клапан открыт 15, а клапан 18 закрыт), подают напряжение разряда между вольфрам-бариевым катодом и анодом посредством включения источника питания разряда 8 и включают источник питания стартового нагревателя 9 на эксплуатационный режим разогрева вольфрам-бариевого катода (см. фиг 4). При этом переключатель 10 должен находиться в положении, обеспечивающем номинальный режим работы стартового разогрева.
По достижению требуемого времени стартового разогрева подают напряжение на вольфрам-бариевый катод от источника поджига 7, производят поджиг разряда вольфрам-бариевого катода, который инициирует возникновение дугового разряда между вольфрам-бариевым катодом 5 и анодом 6. После этого отключают источник поджига 7, источник питания стартового нагревателя 9 и поддерживают дуговой разряд до достижения стационарного режима работы вольфрам-бариевого катода. Затем производят измерения параметров экспериментальной установки, в том числе измерения базовых параметров деградации вольфрам-бариевого катода. После этого производят отключение вольфрам-бариевого катода и его остывание. Затем при необходимости для уточнения полученных значений базовых параметров деградации может быть аналогичным образом проведено несколько повторных запусков вольфрам-бариевого катода.
После этого непосредственно приступают к выполнению первого этапа первой части испытаний (см. фиг.1), при этом осуществляют форсирование фактора отравления эмиттера путем работы вольфрам-бариевого катода с дополнительной системой подачи, осуществляющей подачу в вольфрам-бариевый катод рабочего тела с повышенным содержанием отравляющих вольфрам-бариевый катод примесей. С этой целью клапан 15 выхода основной системы подачи закрывают, а клапан 18 дополнительной системы подачи открывают. Далее осуществляют некоторое количество циклов работы катода с использованием описанных выше процедур.
Затем вновь производят по меньшей мере одно включение и осуществляют работу вольфрам-бариевого катода в основном эксплуатационном режиме без форсирования какого-либо фактора деградации (см. фиг.1) с целью определения новых значений параметров деградации катода для оценки степени деградации вольфрам-бариевого катода. При этом клапан 15 выхода основной системы подачи открывают, а клапан 18 дополнительной системы подачи закрывают.
После этого приступают к выполнению второго этапа первой части испытаний (см. фиг.1) и осуществляют форсирование фактора уноса бария из вольфрам-бариевого катода путем некоторого перегрева его эмиттера посредством включения стартового нагревателя на режиме меньшей мощности, чем мощность стартового разогрева катода. Для этого переключатель 10 источника стартового нагревателя 9 переводят в положение, обеспечивающее работу стартового нагревателя на режиме меньшей мощности, чем мощность стартового разогрева вольфрам-бариевого катода, что и обеспечивает повышение температуры эмиттера катода, приводящее к повышению скорости уноса бария.
Затем вновь производят по меньшей мере одно включение и работу вольфрам-бариевого катода на основном эксплуатационном режиме без форсирования какого-либо фактора деградации (см. фиг.1) с целью определения новых значений параметров деградации катода для оценки степени деградации катода.
подж мин
мах
Далее приступают к выполнению третьего этапа первой части испытаний (см. фиг.1) и при этом осуществляют форсирование фактора эрозии эмиттерного узла путем исключения из циклограммы ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода цикла остывания его эмиттерного узла ниже температуры, при которой обеспечивается поджиг разряда вольфрам-бариевого катода (см. фиг.3). При этом повышают частоту подачи и отключения напряжений поджига, частоту подачи и отключения напряжений разряда между вольфрам-бариевым катодом и анодом на вольфрам-бариевый катод, а стартовый нагреватель вольфрам-бариевого катода после первичного поджига разряда отключают (можно переводить источник питания стартового нагревателя в режим меньшей мощности, если минимальная температура поджига разряда Т близка к максимальной температуре Т и это мешает нормальной организации циклов испытаний).
Затем вновь производят по меньшей мере одно включение и работу вольфрам-бариевого катода в основном эксплуатационном режиме без форсирования какого-либо фактора деградации (см. фиг.1) с целью определения новых значений параметров деградации вольфрам-бариевого катода для оценки степени деградации вольфрам-бариевого катода.
На этом первую часть ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода завершают и приступают к следующей части испытаний и так далее до завершающей части испытаний в соответствии с общей циклограммой ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода (см. фиг.2). При этом повторяют все описанные выше операции, в том числе измерение базовых параметров деградации в паузах между всеми этапами испытаний.
Таким образом, предлагаемые технические решения позволяют производить комплексный учет воздействия всех базовых факторов деградации при проведении ускоренных ресурсных испытаний вольфрам-бариевого катода с максимальным возможным приближением к полномасштабным испытаниям вольфрам-бариевого катода за счет попеременного форсирования сначала одного, затем второго, потом третьего фактора деградации в процессе испытаний, а не всех сразу. Одновременно происходит достижение высоких коэффициентов ускорения испытаний, а также появляется возможность исследовать воздействие каждого фактора деградации на ресурсные характеристики вольфрам-бариевого катода и своевременно выявлять негативное воздействие того фактора, который в наибольшей степени понижает ресурсные характеристики вольфрам-бариевого катода.
Источники информации
1. А.И. Морозов ″Введение в плазмодинамику″, М.: ″ФИЗМАТЛИТ″, 2006 г.
2. О.А. Горшков, В.А. Муравлев, А.А. Шагайда ″Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов″ / Под ред. А.С. Коротеева ″Машиностроение″, 2008 г.
3. Баранов В.П., Васин А.И., Петросов В.А. ″Проблемы ускоренных испытаний ЭРД″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991 г.
4. Timoti R. Sarver-Verhey ″Destructive evaluation of a xenon hollow cathode after a 28,000 hour life test″ AJAA-98-3482.
5. Arhipov В., Bober A., Gnizdor R., Kozubsky K., Maslennikov N., Pridannikov S. ″Results of 7000-hour SPT-100 life test″ 24-th International Electric Propulsion Conference, IEPC-95-39, Moskow, (Russia), 1995.
6. V.N. Akimov, O.A.Gorshkov, A.I.Vasin, V.N.Shutov et al. "Development of KM-5 hall effect thruster and it flight testing onboard GEO spacecraft ″Express-A4″, Progress in Propulsion Physics, EUCASS book series, Ed. ву L.De Luca, Torus Press, vol. 1, 2009, p.411-424.
7. ″Методические указания. Надежность в технике. Ускоренные испытания. Основные положения″, РД 50-424-83, М.: Издательство стандартов, 1984 г.
8. Гришин С.Д., Кашенков В.И., Клименко Г.К., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Чурсин М.М. ″Ресурсные испытания катода-компенсатора на пусковых режимах и пути их ускорения″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991 г.
9. Кашенков В.И., Ковалев В.Н., Ляпин А.А., Пехтерев С.В., Чурсин М.М. ″Теоретические предпосылки ускоренных ресурсных испытаний катодов-компенсаторов в форсированном режиме″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991 г.
10. Баранов В.И., Васин А.И., Петросов В.А. ″Модель эрозии эмиттера полого катода для прогнозирования ресурса по результатам ускоренных испытаний″, сб. РКТ, выпуск 3 (131), 1991 г.