Влияние проводимости стенок разрядной камеры на эффективность холловского двигателя

УДК 629.7.087

С. Н. Кулагин, Л. Г. Дубовик, В. Н. Балашов

ВЛИЯНИЕ ПРОВОДИМОСТИ СТЕНОК РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ХОЛЛОВСКОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния проводимости стенок разрядной камеры (РК) на эффективность холловского двигателя малой мощности при различных расходах рабочего тела (ксенона). Показано, что использование проводящих полюсных наконечников (вместо диэлектрических) на переднем срезе РК приводит к увеличению КПД двигателя -на 1-2 %.

В последнее время растет интерес к использованию космических аппаратов (КА) малой массы -микроспутников (МС), не требующих использования двигательных установок с большой тягой, позволяющих выполнять задачи, ранее решавшиеся с помощью КА большой и средней массы. Это связано с возможностью уменьшения массы КА за счет миниатюризации электронных приборов. Применение МС требует разработки соответствующих подсистем, в том числе двигательных. Как вариант, может быть рассмотрена электрореактивная двигательная установка (ЭРДУ) на базе холловского двигателя (ХД).

Главной проблемой, сдерживающей использование ЭРДУ на борту МС, является слабая энерговооруженность микроспутников. Так, полная потребляемая мощность МС может составлять 100-300 Вт для околоземных орбит и 300-650 Вт для длительных перелетов [1]. Соответственно мощность, которая может быть выделена для работы двигательной установки, находится в диапазоне 50-200 Вт в зависимости от конкретной задачи.

Имеющийся опыт разработки ХД относится к диапазону мощностей 0,5-5,0 кВт. При изменении мощности и габаритов двигателей в этом диапазоне не происходит каких-либо качественных изменений в характере работы двигателя. При уменьшении мощности (менее 0,5 кВт) и габаритов можно ожидать появления некоторых масштабных факторов, которые будут оказывать влияние на характер работы и характеристики ХД.

Основными из этих факторов являются:

- опасность перехода в аномальный режим работы;

- необходимость уменьшения площади сечения разрядной камеры двигателя для обеспечения высокой степени ионизации при малых расходах рабочего вещества;

- нарушение оптимальной геометрии элементов магнитной системы и профиля магнитного поля, что приводит к нарушению фокусировки и снижению эффективности;

© С. Н. Кулагин, Л. Г. Дубовик, В. Н. Балашов, 2007

- возрастание роли краевых эффектов на границе плазма/стенка разрядной камеры двигателя и увеличение потерь энергии на элементах конструкции;

- невозможность в полной мере применения в конструкции двигателя малого размера всех технических решений, обеспечивающих минимальную эрозию стенок разрядной камеры и высокую эффективность холловских двигателей.

В имеющихся на настоящий момент публикациях показана возможность получения КПД холловского двигателя 20-25 % при мощности -100 Вт [2]. Увеличение эффективности двигателя до 30-40 % требует проведения исследований, направленных на совершенствование конструкции и оптимизацию рабочих процессов. Поэтому экспериментальные исследования возможности использования в ХД малой мощности (ХДММ) способов, разработанных для улучшения характеристик двигателей средней и большой мощности, представляет несомненный интерес.

Ранее холловские двигатели развивались в сторону уменьшения толщины слоя ионизации и ускорения и увеличения напряженности электрического поля посредством оптимизации конфигурации магнитного поля. Использование магнитного поля с увеличенным градиентом ¿в/dz позволяет существенно улучшить характеристики двигателя и увеличить ресурс, а также уменьшить расходимость выходящей струи плазмы.

Однако существует ограничение максимальной напряженности электрического поля и, соответственно, уменьшения длины зоны ускорения, которая определяется вторичной эмиссией, зависящей от материала стенок РК, и процессами охлаждения электронов на стенках. Одним из решений проблемы является использование проводящих материалов для стенок РК вместо диэлектрических, обычно используемых в ХД. При этом происходят следующие явления:

- увеличение отрицательного смещения потенциала стенки относительно плазмы в зоне ускоре-

1/2)07 # 27 —

ния должно снижать интенсивность взаимодействия электронов со стенками и, в частности, снижать пристеночную проводимость;

- повышенный отбор электронов из слоев плазмы в выходной части РК будет приводить к увеличению потенциала этих слоев.

Отмеченные обстоятельства должны приводить к сужению слоя ионизации и ускорения и поджа-тию его к выходной части РК.

В работе [3] предлагается новая концепция хол-ловского 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 %).

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияния проводимости стенок РК в районе переднего среза на характеристики ХДММ.

Конструктивная схема экспериментальной модели ХД с наружным диаметром РК 37 мм (условное название Д-37) представлена на рис. 1, а распределение радиальной составляющей магнитной индукции по длине РК - на рис. 2.

Конструкция двигателя, включающая магнитный экран [4], позволяла менять полюсные наконечники при сохранении без изменений геометрии магнитной системы. В качестве материалов для изготовления наконечников с различной проводимостью использовались графит (проводник) и алюмо-нитрид бора (диэлектрик).

? х 6 ? ✓ > -Л

-  щ _)) ^ V- /

Рис. 1. Конструктивная схема Д-37:

1 - анод-газораспределитель;

2 - изоляторы; 3 - радиальные перемычки;

4 - катушка намагничивания; 5 - магнитопровод; 6 - магнитный экран; 7 - катод-компенсатор; 8 - постоянный магнит; 9 - полюсные наконечники

Рис. 2. Распределение магнитного поля по длине РК

В экспериментах снимались вольт-амперные и тяговые характеристики при расходах рабочего тела (ксенона) в диапазоне 0,28-0,87 мг/с при фиксированном токе катушки намагничивания. Ток катушки подбирался по минимуму тока разряда для расхода ксенона т = 0,53 мг/с (среднее значение из указанного диапазона) при напряжении 150 В. Зависимость тока разряда от тока катушки представлена ни рис. 3, из которого видно, что при токе катушки в диапазоне 2-8 А ток разряда остается практически неизменным.

0,8

0,7

- 0,6

0,5

0,4

N

N

012345678 Рис. 3. Зависимость тока разряда 1р от тока катушки 1к

Так как оптимальный ток катушки зависит от расхода рабочего тела и разрядного напряжения [5], для проведения дальнейших исследований ток катушки выбран "с запасом" и составлял 3 А, что уменьшало влияние магнитной индукции на характеристики двигателя при изменении расхода и напряжения. Это позволило проводить все эксперименты при фиксированном значении магнитной индукции, что значительно упрощает сравнительный анализ характеристик, полученных при использовании проводящих и диэлектрических полюсных наконечников.

Для различных материалов полюсных наконеч-

ников при токе катушки 3 А и напряжении разряда Up = 150 В получены зависимости тока разряда и тяги от расхода рабочего тела (рис. 4, 5), а также зависимости тягового КПД п от потребляемой мощности при тех же расходах ксенона (рис. 6).

Как видно из рис. 4, 5 ток разряда и тяга для графитовых полюсных наконечников больше, чем для наконечников из АБН. При этом КПД двигателя с проводящими полюсными наконечниками оказывается выше (рис. 6), что можно объяснить сужением слоя ионизации и ускорения.

ip, А

0,1 ------

03 0,4 0 Л 0,7 0,9

т. мг/с

*АЕН  Графит

Рис. 4. Зависимость тока разряда двигателя Д-37 от расхода

Р,иН

0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,6 0,0

m. их/с

♦ АБН  Графит

Рис. 5. Зависимость тяги двигателя Д-37 от расхода

if, °о

40 г

А -------

те F0 70 ЗД ПС Ив 150 170

N, Вт

♦ АБН  Графит

Рис. 6. Зависимость тягового КПД двигателя Д-37 от мощности

Таким образом, в исследованном диапазоне мощностей (40-160 Вт) использование проводящих (графитовых) полюсных наконечников приводит к увеличению КПД холловского двигателя по сравнению с двигателем с диэлектрическими наконечниками (АБН) ~ на 1-2 %.

Перечень ссылок

1. Bugeat I., Koppel C. Development of a second generation of SPT // 24 th International Electric Propulsion Conference. IEPC 95-35. - Moscow, September, 1995. - P. 995-997.

2. Arkhipov B., Kim V., Koryakin A., Murashko V., Nesterenko A., Skrylnikov A. Small SPT Unit Development and Tests // 3th International Conference on Spacecraft Propulsion. ESA SP-465. - Cannes, France, 2000. - P. 399-401.

3. 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. - Cannes, France, 2000. - P. 277-279.

4. Декларацшний пат. 69865 Укра'на, МК1 F03H1/00. Плазмовий холовський двигун мало'' потужност / С.М. Кулапн, Л.Г. Дубовик, Ю.В. Манець. - № 20031211412; Заявл. 11.12.03; Опубл. 15.09.04, Бюл. № 9. - 3 с.

5. Белан Н.В. Стационарные плазменные двигатели / Н.В. Белан, В.П. Ким, А.И. Оранский - Х.: ХАИ, 1989. - 316 с.

Поступила в редакцию 23.01.2007

Наведено результаты експериментальних дослджень впливу пров1дност1 ст1нокроз-рядно!'камери (РК) на ефективн1сть холовського двигуна мало!' потужност1 при р1зних витратах робочого т'та (ксенону). Показано, що використання пров1дних полюсних наконечник в (зам i сть д1електричних) на передньому зрЫ РК веде до зб1льшення ККД двигуна ~ на 1-2 %.

The results of experimental researches of influence of conductivity of walls of the digit chamber (DC) on efficiency of low power hall thruster at the various charges of a working body (xenon) are given. It is shown that use of conducting pole extensions (instead of dielectric) on DC forward section results in increase of efficiency of the thruster by 1-2 %.

fOfiSSNfd 7т7-0т19яшВестникя)вигателестроенияя1 l/nD07 - 29 -