Влияние глубины ускорительного канал на энергетический спектр ионов в пучке двигателя с анодным слоем при работе на криптоне, ксеноне и их смеси

Язык труда и переводы:
УДК:
629.783
Дата публикации:
06 января 2022, 01:02
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Шилов Сергей Олегович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Плотникова Ольга Петровна
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Представлены результаты исследования энергетического спектра ионного пучка двигателя с анодным слоем при различных глубинах ускорительного канала. Рассмотрено изменение распределения ионов по энергиям в результате перехода с ксенона на криптон. Измерения проведены при помощи многосеточного электростатического анализатора при работе двигателя с анодным слоем на криптоне, промышленном концентрате ксенон-криптоновой смеси и ксеноне.
Ключевые слова:
электроракетный двигатель, двигатель с анодным слоем, зондовые измерения, тормозные характеристики, альтернативное рабочее вещество, криптон, смесь криптона и ксенона
Основной текст труда

Сейчас на космических аппаратах (КА) различных классов и назначений активно применяются двигатели с замкнутым дрейфом электронов, разновидностью которых являются двигатели с анодным слоем (ДАС) и стационарные плазменные двигатели (СПД). Подобные двигатели, работающие на ксеноне, успешно выполняют задачи коррекции орбиты спутника или довыведения КА на необходимую околоземную орбиту [1]. В то же время с появлением крупных орбитальных группировок КА, таких как OneWeb, StarLink, «Сфера» [2–4], спрос на электроракетные двигательные установки резко возрос, что привело к необходимости поиска путей обеспечения запуска такого большого количества КА. Одним из таких путей является применение вместо ксенона более дешевых и распространенных альтернативных рабочих веществ, наиболее перспективным из которых является криптон. Близость характеристик двух газов позволяет использовать многие конструктивные решения, уже отработанные на ксеноне. Однако для обеспечения высокой эффективности работы и ресурса двигателей на криптоне необходимо существенно оптимизировать их конструкцию и в особенности геометрию ускорительного канала [5–6].

В ряде работ [7–8] было показано, что повышение эффективности работы двигателя возможно за счет добавления в рабочее вещество небольшой добавки хорошо ионизующегося газа. Небольшая добавка ксенона к аргону, азоту, воздушной смеси, а также к криптону позволила существенно снизить уровень разрядных токов, угол расходимости ионного пучка, теплонапряженность разрядной камеры, а также повысить объемную скорость ионизации. Это говорит о возможности повышения тяговых и удельных характеристик ДЗДЭ, работающего на криптоне, за счет небольшой добавки ксенона.

Поэтому в данной работе исследовалось влияние небольшой добавки ксенона к криптону на энергетический спектр ионов в двигателе с анодным слоем. Было рассмотрено три рабочих тела: чистые криптон и ксенон, а также промышленный криптон-ксеноновой концентрат (Kr — 94,236 %; Хе — 5,4 %; Н2 — 0,21 %; Ne — 0,003 %; N2 — 0,11 %; O2 — 0,003 %; CF4 — 0,002 %; N2O — 0,013 %), являющийся полуфабрикатом при производстве названных газов. Испытания проводились на экспериментальной модели одноступенчатого ДАС, разработки МГТУ им. Н.Э. Баумана. Средний диаметр ускорительного канала двигателя составляет 38 мм. Конструкция экспериментальной модели ДАС позволяет изменять глубину канала в диапазоне от 2,5 до 8 мм. Двигатель проходил испытания совместно с лабораторной моделью газоразрядного катода-нейтрализатора.

Измерение функции распределения ионов по энергиям в пучке ДАС были проведены на стенде ЭРД-4.5 с горизонтально расположенной цилиндрической вакуумной камерой диаметром 1,6 м, длиной 2,4 м и полным объемом 4,5 м3 с помощью электростатического энергоанализатора [9]. Зонд состоит из четырех последовательных сетчатых электродов, коллектора и внешней апертуры, повышающей пространственное разрешение зонда. Первая сетка выполняла роль электростатического экрана, отделяющего внутренний объем зонда, от окружающего потенциала плазмы. Вторая сетка отсекала электроны из струи двигателя. Третья сетка являлась анализирующей, на нее подавалось управляющее напряжение (до 630 В). Четвертая сетка, антидинатронная, находилась под небольшим отрицательным потенциалом и предотвращала вторичную ион-электронную эмиссию с коллектора. Ионы, прошедшие через замедляющую сетку, собираются заземленным коллектором.

При испытаниях зонд размещался соосно с двигателем на расстоянии 585 мм. Измерения производились при нескольких глубинах ускорительного канала, в диапазоне расходов РВ от 1,5 до 3,5 мг/с. Во всех экспериментах напряжение разряда составляло 300 В. По полученным тормозным характеристикам были вычислены функции распределения ионов по энергиям и средние энергии ионов в пучке.

Анализ полученных функций распределения ионов по энергиям показывает, что большая часть ионов имеет близкую к разрядному напряжению энергию (основной пик ФРИЭ). Однако существует группа медленных ионов, образовавшихся из однозарядных ионов пучка в результате резонансной перезарядки, а также группа быстрых ионов с энергиями, превосходящими разрядное напряжение. Подобные быстрые ионы являются следствием неполной перезарядки многозарядных ионов. Увеличение расхода приводит к уширению основного пика ФРИЭ для всех рабочих веществ. Причем для всех исследованных конфигураций ускорительного канала при работе на криптоне и криптон-ксеноновой смеси наблюдалось более значительное уширение основного пика, чем на ксеноне. Отсюда можно сделать вывод о том, что при работе на криптоне и смеси область ионизации шире, чем для ксенона. На ксеноне во всех конфигурациях были зарегистрированы ионы с энергиями вплоть до 500 эВ с дополнительным небольшим пиком в районе 440 эВ. Тогда как на криптоне наблюдается ступенчатое уширение основного пика до 400 эВ. При переходе с чистого криптона на криптон-ксеноновую смесь характер ФРИЭ не изменяется, однако возрастает средняя энергия ионов в пучке. Также было установлено, что увеличение глубины ускорительного канала с 3 до 5 мм приводит к заметному возрастанию средней энергии ионов при работе на криптоне и криптон-ксеноновой смеси, тогда как на ксеноне изменение глубины УК не оказывает существенного влияния.

Литература
  1. Kim V.P., Semenkin A.V., Khartov S.A. Constructive and Physical Features of Engines with Closed Electron Drift. M.: MAI, 2016. 160 р.
  2. Levchenko I., Keidar M., Cantrell J., Wu Y.L., Kuninaka H., Bazaka K., Xu S. Explore space using swarms of tiny satellites // Nature. 2018. Vol. 562. Pp. 185–187. DOI: 10.1038/d41586-018-06957-2
  3. Del Portillo I., Cameron B., Crawley E. A technical comparison of three low earth orbit satellite constellation systems to provide global broadband // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159. DOI:10.1016/j.actaastro.2019.03.040
  4. Henri Y. The OneWeb Satellite System. Handbook of Small Satellites. Springer, 2020. 1762 p. DOI: 10.1007/978-3-030-20707-6_67-1
  5. Duhopelnikov D.V., Shilov S.O., Alekseev D.K. Comparison of the Characteristics of the Laboratory Model of a Anode Layer Thruster Operating with Krypton And Xenon // AIP conference proceedings of the XLIV Academic Space Conference, dedicated to the memory of academician S.P. Korolev and other outstanding national scientists – pioneers of space exploration “Korolev Academic Space Conference”. M., 2020. Vol. 2318. DOI: 10.1063/5.0036334
  6. Kim V.P., Zakharchenko V.S., Merkur'ev D.V., Smirnov P.G., Shilov E.A. Influence of Xenon and Krypton Flow Rates Through the Acceleration Channel of Morozov's Stationary Plasma Thruster on the Thrust Efficiency // Plasma Physics Reports. 2019. Vol. 45. No 1. Pp. 11–20. DOI: 10.1134/S0367292119010086
  7. Semenkin A.V., Chislov G.O. Study of Anode Layer Thruster operation with Gas Mixtures // Proceedings of 24th IEPC. M., 1995. Pp. 521–526.
  8. Kim V., Popov G., Kozlov V., Skrylnikov A., Grdlichko D. Investigation of SPT Performance and Particularities of its Operation with Krypton and Xenon Mixtures // Proceedings of the 27th International Electric Propulsion Conference. Pasadena, 2001. URL: http://electricrocket.org/IEPC/65_1.pdf (дата обращения 01.12.2021).
  9. Manegin D.S., Plotnikova O.P., Riazanov V.A. Electric vacuum test facility for low-power electric thrusters // Proceedings of the XLV cademic Space Conference, dedicated to the memory of academician S.P. Korolev and other outstanding national scientists – pioneers of space exploration “Korolev Academic Space Conference”. M., 2021. Pp. 309–312.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.