Влияние формы ускорительного канала на динамику ускорения ионов в стационарном плазменном двигателе (СПД)

Исследование эмиттеров на основе углеродных наноструктур

Авторы благодарят сотрудников института общей физики Венского технического университета за помощь в проведении исследований на силовом микроскопе и Оже-спектрометре.

Список литературы

1. Никулин Н.М., Ясинская Е.В. Сравнительный анализ эмиттеров на основе углеродных наноструктур // Известия КГТУ. Калининград, 2004. № 5. С. 186—190.

2. Цебро В.И., Омельяновский О.Е. // УФН. 2000. Т. 170. № 8. С. 906—912.

3. Kiselev N.A. et al. // Carbon. 1999. Vol. 37. P. 1093.

4. Colbert D.T. et al. // Science. 1994. Vol. 266. P. 1215.

5. Елецкий А.В. Углеродные наноструктуры и их эмиссионные свойства // -----

УФН. 2002. Т. 172. № 4. С. 401—438. 67

Об авторах

Н.М. Никулин — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, nickulinnick@mail. ru.

Е.В. Ясинская — ассист., РГУ им. И. Канта, veya_2002@mail.ru.

УДК 536.24

Н.М. Никулин, А.Н. Нестеренко, С.В. Олотин

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ УСКОРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА НА ДИНАМИКУ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ В СТАЦИОНАРНОМ ПЛАЗМЕННОМ ДВИГАТЕЛЕ

Приведены результаты экспериментального исследования влияния профиля ускорительного канала на динамику ионного компонента стационарного плазменного двигателя.

The paper is devoted to investigation of influence of form of accelerating channel on the dynamics acceleration of ions in the stationary plasma thruster.

Увеличение до насыщения силы тяги СПД при первоначальном включении двигателя, когда происходит интенсивная эрозия стенок канала в зоне ускорения, свидетельствует о неоптимальном профиле ускорительного канала. В работах [1; 2] было проведено численное моделирование процесса ускорения плазмы в СПД с каналами различной конфигурации: а) диффузор в зоне ускорения; б) конфузор в зоне ионизации и диффузор в зоне ускорения. При этом рассматривалось ква-зистационарное двумерное течение плазмы в скрещенных ЕхН полях с учетом процессов ионизации рабочего тела (РТ) и ускорения полученных в процессе ионизации ионов, причем учитывались лишь парные столкновения атомов нейтрального газа с электронами. Для замыкания системы уравнений использовались экспериментальные распределения потенциала и температуры электронов на оси канала. Анализ результатов численного моделирования показал, что профилирование канала

Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 67—70.

68

Н.М. Никулин, А.Н. Нестеренко, С.В. Олотин

в зоне ускорения приводит к уменьшению потока ускоренных ионов на стенки, что легко объяснить заметным уменьшением углового коэффициента распыления материала стенок при увеличении угла падения ионов на них. Наличие конфузора в зоне ионизации привело к увеличению скорости ионизации РТ и укорочению длины зоны ионизации. В целом результаты численного моделирования свидетельствовали о заметном улучшении тактико-технических характеристик СПД при соответствующем изменении профиля ускорительного канала.

Для проверки результатов численного моделирования проведено экспериментальное исследование влияния профиля ускорительного канала на динамику ионного компонента в канале СПД, для чего в него были введены керамические кольца, имитирующие профиль канала типа б). В качестве представительного параметра использовались распределения плотности ионного тока на выходе ускорительного канала, измеренные при помощи сферического зонда Ленгмюра, работающего в режиме насыщения ионного тока. Результаты измерений, полученных на ускорителе со вставками, сравнивались с результатами измерений на том же ускорителе, но без вставок. Значения ионного тока в относительных единицах определялись в результате интегрирования распределений плотности ионного тока в двумерном приближении по формуле

5

где Ji (г) - радиальное распределение плотности ионного тока; 5(+) —

соответствует каналу со вставками; 5(_ — каналу без вставок.

На рисунке 1, а, б, в представлены результаты обработки экспериментальных данных по формуле (1) для различных значений массового расхода РТ (а — 4,17, б — 5,17 и в — 6,18 мг/с) и при различных значениях ускоряющего напряжения. Видно, что все зависимости имеют максимум в районе 150 В, после которого наблюдается спад, но для канала со вставками интеграл (1) убывает медленнее и для всех значений ускоряющего напряжения он больше, чем у канала без вставок. На рисунке 1, г представлена зависимость относительного превышения интеграла (1) от ускоряющего напряжения для канала со вставками, рассчитываемого по формуле

с

3 = ,%.

Из рисунка видно, что для всех массовых расходов при ускоряющем напряжении > 250 В наличие вставок в канале приводит к существенному увеличению ионного тока за срезом ускорительного канала. При этом эффект усиливается по мере увеличения массового расхода и разрядного напряжения. Полученные результаты неоспоримо свидетельствуют об уменьшении скорости эрозии стенок канала и указывают на необходимость оптимизации профиля ускорительного канала СПД. В некотором противоречии с этим заключением и результатами численного моделирования находится экспериментальная зависимость силы тяги двигателя от ускоряющего напряжения, представленная на рисунке 2, из которого следует, что сила тяги у ускорителя без вставок больше, чем у ускорителя со вставками.

Влияние формы канала на динамику ускорения ионов в СПД

I,, отн. ед.

1,1

1,0

"ч'>

69

Л

У '1

У

V

100 150 200 250 и.

в

Рис. 1. Зависимость ионного тока и относительного превышения интеграла (1) от разрядного напряжения

Рис. 2. Зависимость силы тяги от разрядного напряжения

б

а

г

70

Н.М. Никулин, А.Н. Нестеренко, С.В. Олотин

Объяснить это противоречие можно, по-видимому, следующим образом. Скорость ионов, вылетающих из канала, составляет величину порядка 105 м/ с и намного превосходит скорость электронов. Вследствие этого скорость рекомбинации практически равна нулю и за срезом ускорительного канала формируется электрическое поле, замедляющее ионы. Напряженность замедляющего электрического поля должна быть тем больше, чем больше ионов покидают канал. В настоящее время в СПД катод-компенсатор устанавливается непосредственно у среза ускорительного канала, поэтому замедление ионов начинается непосредственно за срезом канала.

В численном эксперименте этот эффект не мог быть учтен, так как расчетная область заканчивалась на срезе ускорительного канала.

В результате проведенных исследований теоретически и экспериментально показана необходимость профилирования стенок ускорительного канала СПД. Кроме того, по-видимому, необходимо пересматривать компоновку СПД: присутствие катода-компенсатора вблизи среза ускорительного канала, помимо обсуждаемого выше эффекта торможения ионов, приводит к увеличению скорости резонансной перезарядки ионов, что, в свою очередь, размывает энергетический спектр ионов и уменьшает энергетический к. п. д. двигателя.

Список литературы

1. Arhipov B., Goghaja E., Nikulin N. Numerical research of dynamics of stream in the stationary plasma thruster channel of a variable section // 34-th International Electric Propulsion Conference, AIAA-98 — 3800. Cleveland, 1998.

2. Arhipov B., Goghaja E., Nikulin N. Study of Plasma dinamics in variable section channel of stationary Plasma Thruster / / 26-th International Electric Propulsion Conference, IEPC-99-118, October 17. Kitakyushu, 1999.

Об авторах

Н.М Никулин — канд. физ.-мат. наук., доц., РГУ им. И. Канта, nickulinnick@mail.ru.

А.Н. Нестеренко — канд. техн. наук, ст. науч. сотр., ФГУП ОКБ «Факел».

С.В. Олотин — ведущий специалист, ФГУП ОКБ «Факел».

УДК 681.121

А.В. Румянцев, П.Р. Шевченко, К.В. Гуськов

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАСХОДОМЕР ГАЗА

Приведены результаты экспериментального исследования качественных и количественных характеристик высокотемпературного расходомера газа.

Results of an experimental research of qualitative and quantitative characteristics of a high-temperature flow meter of gas are given.

Тепловые расходомеры газа оказались наиболее эффективными в диапазоне 0 — 100 мг/ с расхода газа. Общим недостатком тепловых рас-

Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 70 — 76.