Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящий момент ведутся исследования альтернативных рабочих веществ для электроракетных двигателей (ЭРД), например, йода и воздуха [1, 2]. Известно, что современные термоэмиссионные катоды-нейтрализаторы, являющиеся неотъемлемыми узлами ЭРД, чувствительны к чистоте «классического» рабочего газа ксенона и для работы с йодом и воздухом неприменимы [3]. В качестве альтернативы различными авторами предлагаются катоды иных конструкций, не содержащих накальных элементов, чувствительных к предлагаемым рабочим телам. Например, в работах [4–6] приведены результаты исследований ВЧ- и СВЧ-катодов.
Основными критериями эффективности работы катодов-нейтрализаторов ЭРД являются энергетическая цена электрона и коэффициент использования рабочего тела. В работе [4] для катода-нейтрализатора на СВЧ-разряде, работающего на ксеноне, была получена минимальная величина энергетической цены электрона, равная 67 эВ, коэффициент использования рабочего тела 7 при электронном токе 0,5 А.
Альтернативным вариантом решения проблемы чувствительности термоэмиссионных катодов к химически активным веществам может быть холодный полый магнетронный катод (ХПМК), исследования работы которого были опубликованы в [7]. В сравнении с ВЧ и СВЧ-катодом для ХПМК необходим один или несколько источников питания постоянного тока, что должно улучшить электромагнитную совместимость всей двигательной установки с оборудованием космического аппарата. В данной работе представлены результаты исследования работы ХПМК совместно с экспериментальной моделью двигателя с анодным слоем (ДАС).
Испытания проводились на электровакуумном стенде МГТУ им. Баумана ЭРД-4,5 [8]. Модель ДАС, разработанная в МГТУ, имела диаметр ускорительного канала 38 мм [9]. В качестве катода-нейтрализатора применялись два варианта: многоступенчатый ХПМК и термоэмиссионный катод-нейтрализатор. Термоэмиссионный катод-нейтрализатор представлял собой лабораторный газоразрядный катод с накаленной вольфрамовой нитью, собственной газоразрядной камерой и вытяжным электродом.
Метод исследования заключался в измерении рабочих параметров устройств таких как: напряжения и токи разрядов, тяга двигателя и потенциалы корпусов и плазмы относительно земли при различных расходах рабочего тела через катод. В каждой экспериментальной точке оптимизировали токи в катушках двигателя и напряжения на разных ступенях ХПМК. Работу устройств исследовали в двух вариантах электрического подключения. В первом варианте корпуса ДАС и катодов были подключены к заземленной камере через высокое сопротивление вольтметра, во втором — накоротко.
В результате исследования было проведено сравнение работы ДАС с ХПМК и термоэмиссионным катодом. Были получены сравнимые величины тяг и потенциалов корпусов устройств при варианте их подключения к камере через вольтметр, что может свидетельствовать об одинаковом «качестве» компенсации заряда пучка двигателя для обоих катодов при заданных расходах и мощностях. При расходе криптона через ДАС 1,5 мг/с и напряжении разряда двигателя 300 В для термоэмиссионного катода с расходом криптона 0,1 мг/с ток разряда двигателя составил 2,07 А, величина тяги — 17,9±0,7 мН, потенциал корпусов ДАС и катода при этом составил ‑29,9 В относительно заземленной камеры. При том же расходе криптона и напряжении ДАС для ХПМК с расходом криптона 0,29 мг/с ток разряда двигателя составил 2,14 А, величина тяги — 18,7±0,7 мН, потенциал корпусов ДАС и катода при этом составил -29,8 В относительно заземленной камеры.
Как и ожидалось недокомпенсация ионного пучка, например, при снижении тока накала вольфрамовой нити термоэмиссионного катода-нейтрализатора или снижения расхода рабочего газа через ХПМК, приводит к снижению тяги, что можно объяснить возрастанием потенциала на «плазменном мосте» и снижению ускоряющего напряжения ДАС. Также возрастает величина отрицательного потенциала корпусов относительно камеры при подключении к ней последних через вольтметр.
При работе на газе ксеноне была получена минимальная энергетическая цена электрона в многоступенчатом ХПМК, равная 69 эВ, коэффициент использования рабочего тела 38 при разрядном токе двигателя 1,66 А. Достигнутые параметры сравнимы с аналогичными холодными катодами, например, на СВЧ-разряде [4].
Полученные данные показывают, что разработанный ХПМК может успешно работать совместно с двигателем с замкнутым дрейфом электронов, обеспечивая достаточное количество электронов как для поддержания разряда двигателя, так и для компенсации заряда ионного пучка. Энергетическая цена электрона в использованном образце ХПМК превышает 2–2,5 раза аналогичные показатели наиболее отработанных полых термоэмиссионных катодов, однако является технически приемлемой для практического использования. Совершенствование ХПМК не завершено и будет продолжено для дальнейшего улучшения газовой и энергетической эффективности.
В целом проведенные исследования показывают, что холодный полый магнетронный катод может быть успешно использован в качестве катода-нейтрализатора ЭРД. Такой катод в значительно меньшей степени подвержен воздействию химически активных веществ и при соответствующем подборе материалов также может быть перспективным для применения с ЭРД на нестандартных топливах, таких как воздух или йод. На текущем этапе разработки данный катод уже не уступает альтернативным плазменным катодам по энергетическим характеристикам, например, катодам на СВЧ-разряде.
