Тяговые характеристики макета компактного импульсного электроразрядного двигателя малой тяги с рабочей частотой 400 Гц

Язык труда и переводы:
УДК:
537.529
Дата публикации:
12 января 2022, 22:22
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Пунанов Иван Федорович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Морозов Павел Александрович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Емлин Рафаил Вениаминович
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Щербаков Евгений Николаевич
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Аннотация:
Разработан макет импульсного плазменного электрореактивного двигателя, работающего за счет разряда по поверхности твердого диэлектрика, инициированного высоковольтными импульсами напряжения микросекундного диапазона с частотой до 400 Гц. В макете использован импульсный трансформатор с выходным напряжением 20 кВт и выделяемой энергией ~50 МДж. Разрядный блок имеет коаксиальную конфигурацию, рабочим телом служит фторопласт. Измеренный импульс тяги макета составляет 19 мкН·с. Показано, что использование импульсного трансформатора в качестве индуктивного накопителя энергии в частотном режиме является работоспособной схемой для ИПД, но требует уменьшения массы трансформатора.
Ключевые слова:
разряд по поверхности, электроразрядный двигатель, двигатель малой тяги, импульсный плазменный двигатель, импульсный разряд, индуктивный накопитель
Основной текст труда

В связи с широким распространением малых спутников, все большую актуальность приобретает разработка электроразрядных двигателей (ЭРД) малой тяги. В рамках решения данной задачи ведутся разработки по масштабированию холловских и ионных двигателей. Кроме того, вновь привлекают внимание разработчиков импульсные ЭРД, поскольку они позволяют прецизионно регулировать создаваемую тягу. 

В данной работе представлен макет импульсного плазменного электрореактивного двигателя, в котором тяга создается за счет разряда по поверхности диэлектрика, инициированного импульсами напряжения микросекундного диапазона. В отличие от традиционной схемы, в которой используются емкостные накопители на десятки микрофарад с рабочим напряжением 1–5 кВт и частотой разрядов 1–3 Гц [1]. В разработанном макете используется индуктивный накопитель энергии [2], представляющий собой импульсный трансформатор с выходным напряжением 20 кВт и выделяемой энергией ~50 МДж (при работе на согласованную нагрузку ~90 кОм) [3]. Другим отличием является использование режима с относительно высокой частотой повторения импульсов. На вход трансформатора подается питающее напряжение 27 Вт с частотой до 400 Гц. Выходное напряжение 20 кВт подается на разрядный блок коаксиальной конфигурации с заземленным центральным электродом. Внешний электрод разрядного блока представляет собой стальное кольцо высотой 10 мм с внутренним диаметром 30 мм. Рабочим телом служит политетрафторэтилен.

Измерения тяги проводились в вакуумной камере, остаточное давление в которой составляло ~10–4 мм рт. ст. Импульсный трансформатор и разрядный блок были укреплены на общей платформе, которая подвешивалась в вакуумной камере на металлической проволоке. На этой же платформе расположен автономный блок питания с платой управления. Масса макета ИПД  (трансформатор и разрядный блок) вместе с блоком питания составляет около 500 г. Автономное питание позволило провести прямое измерение тяги макета по углу закручивания проволоки, на которой закреплена платформа. Запуск макета осуществлялся ИК-излучателем через окно вакуумной камеры. Однократный запуск представляет собой последовательность из 400 разрядов в течение 1 с. Величина импульса тяги, полученная в данных условиях, составила 19 мкН·с. Дополнительно проведено измерение тяги с помощью крутильного маятника, на котором была подвешена мишень [4], и получены близкие результаты. Удельная тяга, приведенная к одному джоулю запасаемой в генераторе энергии, составляет порядка 4 мкН·с/Дж, что в 2–3 раза меньше, чем известные литературные данные по конденсаторным ЭРД [1].

Таким образом, показано, что использование импульсного трансформатора в качестве индуктивного накопителя энергии в частотном режиме является работоспособной схемой для ИПД, но в целях увеличения эффективности необходимо уменьшить массогабаритные размеры трансформатора.

Литература
  1. Zhang Z., Ling W.Y.L., Tang H. A review of the characterization and optimization of ablative pulsed plasma thrusters // Review of Modern Plasma Physics. 2019. Vol. 3 (1). DOI: https://doi.org/10.1007/s41614-019-0027-z
  2. Schein J., Qu N., Binder R., Krishnan M. Inductive energy storage driven vacuum arc thruster // Review of Scientific Instruments. 2002. Vol. 73 (2). Pp. 925–927. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1428784
  3. Buldashev S.A., Emlin R.V., Morozov P.A., Punanov I.F., Shcherbakov Ye.N. and Yashnov L.Yu. Thrust characteristics of compact high-voltage pulsed plasma thruster utilizing liquid propellant // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2064 (1). DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012114
  4. Yang Y.-X., Tua L.-C., Yang S.-Q., Luo J. A torsion balance for impulse and thrust measurements of micro-Newton thrusters // Review of Scientific Instruments. 2012. Vol. 83 (1), no. 015105. DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.3675576
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.