Исследование двухступенчатого холодного полого магнетронного катода

Язык труда и переводы:
УДК:
537.533.2
Дата публикации:
09 декабря 2021, 13:11
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Аннотация:
Разработан экспериментальный образец двухступенчатого холодного полого магнетронного катода. Описаны схема устройства и условия эксперимента. Проведено исследование влияния магнитного поля второй ступни на рабочие характеристики катода. Полученные экспериментальные результаты подтвердили возможность значительного снижения цены электрона в ХПМК при использовании двухступенчатой схемы. В представленных экспериментах при вытянутом электронном токе более 1 А удалось снизить цену электрона на 39 % с 400 до 250 эВ.
Ключевые слова:
холодный полый магнетронный катод, катод-компенсатор, электроракетный двигатель, воздух, йод
Основной текст труда

В настоящее время ведутся исследования в области альтернативных рабочий веществ ЭРД [1]. Актуальность таких исследований подтверждается значительным ростом применения ЭРД в качестве двигателей искусственных спутников Земли [2]. Проблема классического топлива ЭРД ксенона состоит в основном в его дороговизне и ограниченной добычи [3, 4].

Перспективными топливами для ЭРД считаются такие вещества как воздух и йод [3–6]. Исследования в области применения воздуха в качестве топлива интересны для создания низкоорбитальных спутников с ЭРД на забортном воздухе. Такие двигатели должны увеличить время активного существование подобных спутников на орбите. В свою очередь применение йодных ЭРД интересно для геостационарных, геосинхронных и высокоорбитальных спутников, а также для полетов в дальний космос. Йод как топливо обладает существенными преимуществами перед ксеноном, заключающимися в низкой стоимости и большой добычи.

Одной из основных проблем в использовании йода и воздуха в качестве рабочего вещества ЭРД является чувствительность катода-компенсатора к химически активным веществам. Для решения этой проблемы необходимо использовать в качестве катода-компенсатора источник электронов, достаточно стойкий к химически активным веществам. Одним из вариантов может быть холодный полый магнетронный катод (ХПМК). Здесь возникает другая проблема — низкая энергетическая эффективность такого катода по сравнению с термонакальными.

В данной работе представлен один из возможных путей повышения энергетической эффективности ХПМК по средствам применения дополнительной ступени ионизации.     

Исследования выполняли на экспериментальной вакуумной установке описанной в работе [7]. Была исследована двухступенчатая конструкция катода-компенсатора магнетронного типа. В двухступенчатой схеме катода электронный пучок вытягивался электродом через полость второй ступени. Было обнаружено, что эффективность такой схемы зависит от величины и топологии магнитного поля, а также давления внутри полости.

С целью изучения возможности снижения энергетической цены электрона в ХПМК было проведено экспериментальное исследование режимов работы двухступенчатой модели ХПМК. Предполагалось, что в полости второй ступени можно будет реализовать низковольтный несамостоятельный газовый разряд, обеспечивающий размножение электронов, поступающих из первой ступени.

Эксперименты проводили при следующих условиях: индукция магнитного поля в первой ступени 0,07 Тл; расход аргона от 0,09 до 0,4 мг/с; средняя индукция магнитного поля от 0,01 до 0,025 Тл; напряжение на источника питания второй ступени от 40 до 110 В; диаметр отверстия в аноде первой ступени 3,5 мм; диаметр выходных отверстий второй ступени от 1 до 2 мм.

Экспериментальное исследование двухступенчатой конструкции подтвердило возможность снижения цены электрона в ХПМК. Путем экспериментального подбора расхода аргона и величины магнитного поля во второй ступени удалось снизить цену электрона в 1,6 раза. Минимальная цена электрона при токе в 1 А составляла 250 эВ против 400 эВ в одноступенчатом исполнении.

Литература
  1. Shagayda A.A. On scaling of Hall effect thrusters // IEEE Transactions on Plasma Science. 2015. Vol. 43, no. 1. Pp. 12–28.
  2. Lev D. et al. The technological and commercial expansion of electric propulsion // Acta Astronautica. 2019. Vol. 159. Pp. 213–227.
  3. Островский В.Г., Смоленцев А.А., Щербина П.А. Йод как альтернативное рабочее тело электроракетных двигателей // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. № 5–4 (47). C. 131–135.
  4. Szabo J. et al. Iodine plasma propulsion test results at 1–10 kW // IEEE Transactions on Plasma Science. 2014. Vol. 43, no. 1. Pp. 141–148.
  5. Tisaev M. et al. Feasibility analysis for air-breathing electric propulsion spacecraft // 1st International Symposium on Very Low Earth Orbit Missions and Technologies. 2021.
  6. Духопельников Д.В., Рязанов В.А., Шилов С.О. Сравнение характеристик модели двигателя с анодным слоем при работе на ксеноне, аргоне и азоте // Известия вузов. Сер. Машиностроение. 2018. №. 7 (700). С. 69–76.
  7. Подгуйко Н.А., Марахтанов М.К., Хохлов Ю.А. Перспективы применения магнетронного разряда в качестве эмиттера электронов в катоде-компенсаторе для электроракетных двигателей // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26, № 3. С. 167–177.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.