Электрические ракетные ионные двигатели

Размеры анода оказывают существенное влияние на ионообразование в разрядном объеме. С уменьшением площади анода SaH ионообразование возрастает до тех пор, пока не образуется положительное анодное падение. Оптимальная площадь анода, при которой новообразование достигает максимума, составляет 1 – 2% от общей поверхности разрядной камеры.

Энергетическое распределение электронов в разряде, измеренное с помощью плоских зондов Ленгмюра с последующей обработкой методом двойного дифференцирования, существенно отличается от максвелловского наличием группы быстрых электронов со средней энергией, не превышающей разрядное напряжение. Чем выше разрядное напряжение Ср и ниже разрядный ток Iр, тем более четко выражено двухгрупповое распределение электронов на быстрые и медленные. Чем ниже Up и выше Iр, тем ближе распределение электронов к максвелловскому. Это связано с тем, что при низких Ср сечение ионизации первичными электронами мало, а сечение кулоновского рассеяния велико, вследствие чего происходит интенсивная максвеллизация электронов и затем уже ионизация атомов высокоэнергетичными электронами из «хвоста» максвелловского распределения. Наоборот, при высоких Ср и низких Iр максвеллизация электронов затруднена и преобладающим процессом является ионизация первичными электронами.

Основы проектирования ионно-оптических систем

При проектировании и расчете ионно-оптических систем необходимо учитывать закономерности интенсивных ионных течений в стационарных электрических полях в условиях вакуума.

Интенсивными принято называть ионные течения с большой плотностью тока, на которые оказывает существенное влияние поле собственного пространственного заряда. Мерой интенсивности течения является его первеанс Р, определяемый как отношение тока пучка / к ускоряющему напряжению U в степени три вторых:

P = I/U3/2.                                                    (2.43)

Интенсивными считаются течения, первеанс которых больше 10"8 – 10~7 А/В3/2. В свободном от внешних полей пространстве наблюдается расширение интенсивных ионных пучков вследствие действия кулоновских сил отталкивания, изменение распределения потенциала и связанное с этим ограничение тока.

Одним из фундаментальных законов интенсивных течений является закон Ленгмюра-Богуславского, о котором уже неоднократно упоминалось и который для одномерного течения однозарядных ионов между плоскими параллельными электродами записывается следующим образом

Плотность ионного тока в плоской электростатической ускоряющей системе не может превосходить величину, определяемую законом Ленг-мюра – Богуславского.

Физической причиной ограничения плотности ионного тока является воздействие пространственного заряда движущихся ионов. Если плотность тока ионов, поступающих из источника в ускоряющую систему превосходит величину, определенную формулой (2.44), то в ускоряющем пространстве образуется потенциальный барьер (область, где потенциал выше потенциала анода) м часть ионов возвращается к аноду.

Распределение потенциала, напряженности электрического поля и плотности объемного заряда в плоской электростатической ускоряющей системе в режиме течения, определяемом законом Ленгмюра–Богуславского, описывается следующим образом:

Здесь Ф, Е и.р – потенциал, напряженность поля и плотность объемного заряда в сечении х; Фан – потенциал анода;?«к и рк – напряженность электрического поля и плотность объемного заряда в плотности катода.

Отметим, что в плоскости анода при х – 0 достигается максимум потенциала, а напряженность электрического поля принимает нулевое значение.

Используя приведенные выше соотношения, можно определить предельную плотность ионного тока, которая может быть получена в ионном двигателе. Как известно, плотность тяги величиной пробойного напряжения. На основе имеющегося опыта можно считать, что длительная работа ионного двигателя возможна при напряженности поля Ек = 70… 100 кВ/см. При этом предельное значение плотности тяги ионных двигателей не превосходит 200 – 400 Н/м2. В формулу (2.46) не входят характеристики рабочего вещества. Поэтому приведенная оценка плотности тяги применима для всех разновидностей электростатических двигателей независимо от вида ускоряемых заряженных частиц.

При определении предельной плотности тяги, фактически реализуемой в ионных двигателях и рассчитываемой как отношение тяги к площади поперечного сечения источника, необходимо учитывать прозрачность электродов ионно-оптической системы. Если суммарная площадь отверстий ускоряющего электрода So, а площадь поперечного сечения источника SH, то фактическая предельная плотность тяги.

Метод электростатической фокусировки интенсивных ионных пучков был разработан Дж. Пирсом. В случае ленточных пучков (ширина пучка значительно больше его толщины) потенциал внешнего фокусирующего электрического поля определяется уравнением

ионно-оптических систем показывает, что фокусировка интенсивных ионных пучков с геометрическим параметром R > > 3… 5 – трудноразрешимая задача. В этом случае градиенты потенциала в направлении, перпендикулярном оси пучка, становятся столь значительными, что формирование параллельного пучка с помощью внешних фокусирующих полей становится практически невозможным. Поэтому в ионных двигателях ионный пучок большого сечения делится на элементарные пучки малых размеров, каждый из которых имеет допустимый геометрический параметр.

В ионных двигателях применяются ионно-оптические системы двух типов: система с электродами в виде сеток с гексагональными рядами круглых отверстий небольшого диаметра и система в виде набора из тонких параллельных нитей или стержней.

При проектировании ионно-оптических систем широко используются аналоговые устройства (электролитическая ванна), а также опытные данные, полученные при экспериментальной отработке ионных двигателей. Для обоснованного использования экспериментальных данных большое значение приобретает теория подобия ионно-оптических систем.

Рассмотрим установившееся интенсивное ионное течение в ускоряющей системе. Считаем его ламинарным, т.е. таким, что траектории различных ионов не пересекаются и что в каждой точке течения все ионы имеют одинаковые скорости. Также пренебрегаем столкновениями ионов с какими-либо частицами и колебательными процессами в пучке.

При принятых допущениях ионное течение описывается системой уравнений, включающей уравнения Пуассона, непрерывности и движения:

Рассмотрим сначала ионно-оптическую систему, предназначенную для формирования ионных пучков иэ ионов, которые образуются в контактных ионных источниках. В этом случае ионы поступают в ускоряющее пространство с фиксированной твердой поверхности и граничные условия записываются в виде соотношений, выражающих распределение потенциала, напряженности поля и плотности ионного тока по поверхностям источника и электродов.

Введем масштабы величин, входящих в основные уравнения и в граничные условия. В качестве масштаба потенциала естественно принять потенциал анода Фан, в качестве линейного масштаба – ускоряющую длину а, в качестве масштаба скорости – скорость v0 = V-Фан приобретаемую ионами при прохождении разности потенциалов, равной масштабу потенциала. За масштаб плотности ионного тока примем среднюю плотность ионного тока /0 на анодной поверхности (поверхности ионного источника), за масштаб напряженности – среднюю напряженность электрического поля в ускоряющем пространстве Ео = Фан/У. Безразмерные переменные условимся отмечать значком ~:

Подставляя эти соотношения в исходные уравнения, и выполняя элементарные преобразования, получаем систему уравнений в безразмерных переменных:

уравнений в безразмерных переменных. При этом входящие в эти уравнения комплексы, составленные из определяющих величин, в подобных процессах имеют одинаковые численные значения и являются критериями подобия. В систему уравнений (2.53) входит лишь один безразмерный комплекс, который является критерием подобия ионных течений и обозначается буквой у:

Таким образом, в геометрически подобных ионно-оптических системах ионные течения будут подобными, если они характеризуются одинаковыми значениями критерия у и если граничные условия на поверхностях электродов могут быть представлены в виде тождественных безразмерных соотношений. В подобных ионных течениях геометрические характеристики ионных пучков (в частности, расходимость пучка) совпадают, а параметры течения (Ф, р,/7, v) в сходственных точках ускоряющего пространства определяются по соотношениям (2.52).

Выражение для критерия подобия у можно представить в более простом виде, если ввести в рассмотрение эквивалентный плоский диод. Так называется двухэлектродный плоский ускоритель, работающий в режиме ограничения тока пространственным зарядом, в котором ускоряющее напряжение и средняя плотность тока на анодной поверхности такие же, как в рассматриваемой ионно-оптической системе. Межэлектродное расстояние в эквивалентном плоском диоде обозначим сэ. Согласно закону Ленгмюра–Богуславского

Таким образом, критерий у равен умноженному на 4/9 квадрату отношения межэлектродных длин рассматриваемой ионно-оптической системы и эквивалентного плоского диода.

Когда ионные пучки формируются из ионов, поступающих в ускоряющую систему с поверхности плазмы, то для подобия ионных течений кроме перечисленных выше условий требуется, чтобы уравнение граничной поверхности плазмы в безразмерных переменных было одинаковым для разных ионных источников. При формировании ионных пучков из плазмы газоразрядных источников на граничной поверхности сФ/сх = О в силу квазинейтральности плазмы. Следовательно, здесь применимо уравнение Ленгмюра–Богуславского, которое в этом случае является соотношением между плотностью ионного тока, поступающего в ускоряющую систему, приложенной разностью потенциалов и толщиной слоя пространственного заряда между ускоряющим электродом и границей плазмы. Если, например, при заданном ускоряющем напряжении изменяется плотность тока, то это приводит к изменению размеров слоя пространственного заряда и формы граничной поверхности. Следовательно, форма граничной поверхности должна определяться критерием у. При более подробном анализе, который здесь не приводится, оказалось, что при фиксированном значении у форма граничной поверхности может изменяться в зависимости от режима работы газоразрядного ионного источника (концентрации ионов, электронной температуры и др.), Однако если ускоряющая разность потенциалов Фан значительно превращает электронную температуру Те:

то форма граничной поверхности плазмы не зависит от режима работы ионного источника и однозначно определяется величиной критерия подобия у.

Рассмотрим конструкцию ионно-оптической системы (см. рис. 2.3), с помощью которой возможно сформировать ионные пучки с большим током (на тяжелых рабочих веществах до 20 – 30 А, на водороде – до 100 А). Формирующий, ускоряющий и замедляющий электроды выполнены в виде плоской сетки из металлических прутков, закрепленных своими концами в соответствующей паре кварцевых державок. Прутки ускоряющего и замедляющего электродов крепятся на своих кварцевых державках с помощью металлических обойм. Обоймы размещены на кварцевых державках таким образом, что при разогреве они могут удлиняться, не вызывая механических напряжений, и обеспечивают электрический контакт прутков электрода с источником питания. Пазы в кварцевых державках для крепления прутков имеют определенный шаг. Концы кварцевых державок длиной 20 – 40 мм служат для крепления электродов и для высоковольтной изоляции. Крепление и юстировка формирующего электрода осуществляется посредством прижатия Державок винтами к передней крышке разрядной камеры и винтами – через пружины к поверхности юстировочной пластины. В этом случае прутки электрода имеют непосредственный контакт с разрядной камерой. Крепление и юстировка ускоряющего и замедляющего электродов осуществляются так же, как и формирующего, только концы их кварцевых державок прижимаются к крышке разрядной камеры через соответствующие вкладыши, обеспечивающие зазор между электродами. Так как нарезка пазов в кварцевых державках производится одновременно, то прижатие их винтами к котировочной пластине обеспечивает надежную юстировку электродов (совпадайте щелей).

Замедляющий и ускоряющий электроды выполнялись диаметром 2 мм, формирующий – из прутков диаметром 2; 1 и 0,5 мм с шагом 4 мм (соответственно изучались три варианта ионно-оптической системы). Прутки – диаметром 1 и 0,5 мм натягивались индивидуальными пружинами. Ускоряющая длина составляла 2 мм в первом варианте и 2,5 мм во втором и третьем вариантах ионно-оптической системы. Максимальная полезная длина прутков (под пучком) составляла 150 мм. Полезная длина кварцевых державок (ширина области под пучком) также была равной 150 мм. Следовательно, максимальная площадь поперечного сечения в исследованной системе составляла 225 см2.

Экспериментальное исследование характеристик описанной системы проводилось совместно с изученным ранее газоразрядным источником ионов, работавшим на висмуте. Температура электронов в источнике поддерживалась равной 2 – 3 В. В соответствии с теоретически полученной формулой (2.57) ускоряющее напряжение при экспериментах принималось равным 3 – 4,5 кВ.

Эксперименты показали, что оптимальное значение критерия подобия 70пт> при котором угол расходимости ионного пучка минимален, не зависит от ускоряющего напряжения (изученный диапазон от 4,5 до 14 кВ) и составляет при диаметре пучков формирующего электрода 2; 1; 0,5 мм соответственно около 0,16; 0,26 и 0,27.

Постоянное значение 7 опт указывает на справедливость изложенной выше теории подобия для случая формирования ионных пучков из плазмы при соблюдении условия (2.57). Зная 7Опт> можно определить оптимальное значение ускоряющего напряжения при заданных плотностях йодного тока и рассчитать оптимальные параметры геометрически подобных конструкций ускоряющей системы для любых рабочих веществ.

Другим параметром, характеризующим ионно-оптическую систему, является геометрическая прозрачность формирующего электрода

Как уже указывалось, в современных ионных источниках коэффициент использования массы достаточно высок (до 0,9 – 0,95), но все же некоторое количество атомов рабочего вещества поступает в ионно-оптическую систему с тепловыми скоростями. В результате в ионно-оптической системе могут протекать такие процессы, как рассеяние и перезарядка ионов на атомах, ионизация атомов ионами и др. В условиях ионных двигателей при относительных скоростях ионов и атомов 103 – 104 м/с наиболее вероятным процессом является резонансная перезарядка ускоренных ионов на нейтральных атомах. При перезарядке ускорений ион приобретает электрон и становится быстрым атомом, продолжающим движение со скоростью, равной скорости иона в момент перезарядки. Атом, потерявший электрон, становится вторичным ионом, начальная скорость которого равна тепловой скорости атома (около 103 м/с).

В трехэлектродной ионно-оптической системе большинство вторичных ионов не может преодолеть потенциальный барьер между ускоряющим и замедляющим электродами, ионы остаются в «потенциальной яме» и в конце концов попадают на ускоряющий электрод, который имеет наиболее низкий отрицательный потенциал. Величина потенциального барьера в замедляющем зазоре ионно-оптической системы определяется коэффициентом замедления ионного пучка

где Фк – абсолютная величина потенциала ускоряющего электрода; Фан – потенциал фокусирующего электрода; потенциал замедляющего электрода принимается равным нулю.

Энергия вторичных ионов в плоскости ускоряющего электрода может составлять несколько сотен электронвольт. Бомбардируя ускоряющий электрод, вторичные ионы вызывают его катодное распыление. Наряду с вторичными ионами ускоряющий электрод при плохой фокусировке ионного пучка может перехватывать и первичные ионы, обладающие энергией в несколько килоэлектронвольт и вызывающие особенно интенсивное распыление ускоряющего электрода.

Эксперименты проводились на многощелевой ионно-оптической системе. Формирующий, ускоряющий и замедляющий электроды были выполнены из вольфрамовых прутков диаметром 1 мм при шаге расположения прутков 3 мм. Ускоряющий и замедляющий зазоры составляли соответственно 2 и 1 мм. Ионно-оптическая система имела пять щелей шириной 2 мм и длиной 30 мм. Формирование ионных пучков осуществлялось из аргоновой плазмы. Измерялся ток на ускоряющий электрод для различных расходов аргона при постоянных токе пучка, ускоряющем и замедляющем напряжениях (т.е. при неизменной форме пучка и фокусировке). Постоянство тока пучка при изменении расхода обеспечивалось регулированием тока эмиссии катода газоразрядного источника ионов.

Вопросы нейтрализации объемного заряда ионных пучков

Для нормальной работы ионных двигателей в условиях космического пространства необходима нейтрализация объемного заряда и тока истекающих ионных пучков. Нейтрализация объемного заряда и тока требуется также и в плазменных двигателях с анодным слоем, которые рассматриваются в следующей главе. Эта задача решается с помощью специального нейтрализатора – источника электронов, который устанавливается на выходе из ускоряющей системы.

Система нейтрализации должна удовлетворять следующим основным требованиям.

1.                Энергетическая цена электрона (отношение расходуемой мощности к выходному электронному току) должна быть минимальной.

2.                Газовая эффективность источника электронов (отношение электронного тока к расходу рабочего вещества) должна быть возможно
более высокой.

3.                Схема электропитания нейтрализатора должна быть простой, вероятность безотказной работы и конструктивный ресурс не должны
быть ниже, чем у остальных элементов ЭР Д.

В ходе создания наземных прототипов ионных двигателей и плазменных двигателей с анодным слоем были исследованы различные виды нейтрализаторов: проволочные прямоканальные катоды, плазменные источники электронов и полые катоды.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают плазменные нейтрализаторы и нейтрализаторы на основе полого катода. На рис. 2Л8 изображен газоразрядный плазменный нейтрализаторе Он состоит из эмитирующего элемента (катода) 1 в виде трубочки из гексаборида лантана с малым внутренним отверстием, стартового нагревателя 2, выполненного из вольфрамовой проволоки, тепловых экранов 3 и поджигающего электрода 4. Подача газообразного рабочего вещества осуществляется по трубчатому молибденовому токоподводу 5, обладающему малой теплопроводностью, После предварительного прогрева и срабатывания поджигающего электрода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок.

На рис» 2,19 изображена схема диафрагмированного газопроточного полого катода – нейтрализатора, обладающего наилучшими характеристиками по цене иона и газовой эффективности. Нейтрализатор может работать в авторежиме, т.е. без нагрева катода от постороннего источника

Внутренняя вставка полого катода изготовлена из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексаборида лантана). Типичные размеры нейтрализатора: диаметр внутренней полости 3 – 10 мм, длина 5–15 мм, диаметр выходного отверстия 0,5 – 3 мм, отношение площади выходного отверстия в катоде So к площади внутренней поверхности катода Sn равно 3–10- з _ 2–10-2« Электрические 86 параметры: расход ксенона в токовых единицах /^ = 0,03… 2,5 А, минимальное разрядное напряжение 14 В, выходной электронный ток /, = 0,1… 50 А.

Если пренебречь сравнительно небольшими радиационными потерями, то энергетическая цена электрона се практически равна разрядному напряжению Up. Для определения газовой эффективности нейтрализатора удобно использовать соотношение

(2-63)

в которое в явном виде входит геометрический параметр S0/Sn. Для выбора оптимальных геометрических характеристик нейтрализатора, термоэмиссионных характеристик материалов и определения газовой эффективности необходимо рассчитывать вольтамперную характеристику нейтрализатора.

При расчете вольтамперной характеристики принимаются следующие предположения о процессах, происходящих в полом катоде:

1)  электроны поступают в разряд с внутренних стенок катода в результате термоэмиссии;

2)  ионизация атомов производится в основном первичными (быстрыми) электронами, эмитированными стенками, и ускоренными в прикатодном слое разряда.

3)  первичные электроны, потеряв при неупругих столкновениях с атомами энергию порядка потенциала ионизации, становятся медленными и не принимают участия в процессах ионизации;

Рис. 2.18. Газоразрядный плазменный нейтрализатор: 1 – катод; 2 – стартовый нагреватель; 3 – тепловые экраны;

4 – поджигающий электрод; 5 – токоподвод

Рис. 2.19. Диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор:

1 – катодная полость; 2 – катод; 3 – диафрагма катода; 4 – выходное отверстие;

5 – нагреватель; 6 – канал подачи рабочего вещества; 7 – тепловые экраны; 8 –

вспомогательный электрод (анод) для по джига разрядов; РВ – рабочее вещество

4)  толщина прикатодного слоя разряда т порядка дебаевского радиуса экранирования, а падение потенциала в нем близко к разряд, ной разности потенциалов.

Ионные двигатели на переменном токе

В элементах ионного двигателя (источник ионов, ускоряющая система, нейтрализатор, система подачи, электромагнит и др.) потребляется электрический ток различного напряжения и различной силы. Так, например, в американском двигателе SERT-II имеется 9 электрических цепей, из которых шесть работают на постоянном токе напряжением 30, 45, 50, 1800 и 3000 В и три на переменном.

Как известно, бортовые источники энергии для ЭРД способны вырабатывать постоянный ток низкого напряжения (солнечные батареи, термоэмиссионный ядерный реактор-генератор), либо переменный ток (ядерный реактор с турбогенератором). Двигатель SERT-II, например, потреблял около 1 кВт электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей в виде постоянного тока с первичным напряжением около 60 В.

Для согласования электрических параметров двигателей с параметрами первичных источников требуется бортовая система преобразования энергии. Прежде чем попасть в двигатель, постоянный ток низкого напряжения инвертируется в переменный, трансформируется до заданного напряжения, а затем выпрямляется. В двигателе SERT-II для этих целей применялся полупроводниковый преобразователь с удельной массой 15 кг/кВт. При проектировании подобных преобразователей возникают специфические проблемы. Вследствие сравнительно низких значений КПД элементов в преобразовательном блоке выделяется большое количество тепловой энергии. Так, при подводимой мощности 1 кВт и входном напряжении 60 В в блоке выделяется от 125 до 150 Вт тепла. Для обеспечения безопасной рабочей температуры полупроводниковых вентилей, входящих в преобразователь, необходимы большая площадь и масса холодильника-излучателя, поддерживающего температуру блока в пределах 50 – 70 °С. При переходе к ионным двигателям большой мощности (сотни киловатт) эта проблема становится еще более острой и требует разработки выпрямителей и инверторов со значительно более высокой рабочей температурой. Это заставляет искать новые пути решения проблемы преобразования электрической энергии, отвечающие условиям применения в космическом пространстве.

Одним из таких направлений является использование для выпрямления переменного тока плазменных объемов ионных двигателей, т.е. создание устройств, совмещающих в себе функции преобразователя тока и элементов двигателя.

Проведенные исследования показали, что практически все электрические цепи ионного двигателя можно перевести на питание переменным током. При этом по имеющимся оценкам, не только увеличивается надежность ЭРДУ, но и на 10 – 20% снижается ее удельная масса. В качестве источника энергии в этом случае целесообразно использовать систему с турбогенератором переменного тока, так как по сравнению с другими системами при питании двигателя переменным током она имеет минимальную удельную массу.

Схема газоразрядного ионного источника на переменном токе представлена на рис. 2.22. Цилиндрический анод 3 источника разделен на три части, либо на кратное трем число частей, которые по одной или группами коммутируются с фазами питающего трансформатора. Нулевая точка трансформатора Л соединена с корпусом камеры.

По мере изменения величины питающего напряжения, подаваемого на анод, разряд переходит с анода, потенциал которого уменьшается, на анод, положительный потенциал которого становится наибольшим. При трехфазном питании за время, равное периоду изменения напряжения, происходит трехкратная коммутация тока, при шестифазном питании – шестикратная. Ток в цепи работающего анода следит за его потенциалом. Поэтому в нулевом проводе протекает пульсирующий выпрямленный ток, а напряжение горения разряда совпадает с огибающей фазовых напряжений. Для обеспечения устойчивого горения разряда необходимо, чтобы напряжение зажигания разряда, примерно равное половине амплитудного напряжения, превышало потенциал ионизации рабочего вещества.

Рис. 2.22. Электрическая схема питания газоразрядного источника переменным током:

а – электрическая схема; б – осциллограмма тока и напряжения; 1 – трансформатор цепи разряда; 2 – фокусирующий электрод; 3 – анод; 4 – нулевой провод; 5 – «нерабочая» зона разряда; пунктиром показана граница диффузии плазмы в зону 5

При горении разряда на аноде наиболее положительной фазы через нее протекает весь разрядный ток /р. В этот момент аноды других фаз выполняют функции коллектора хаотического ионного тока, величина которого не превышает 0,5 – 1% /р. Поэтому контакт анод–плазма обладает вентильными свойствами, и разрядную цепь следует рассматривать как обычный однотактный выпрямитель с закороченным выходом.

Экспериментально установлено, что в любой момент времени достаточно площади одного работающего анода, чтобы генерируемая в источнике плазма заполнила весь объем разрядной камеры. Однако при питании переменным током концентрация плазмы, ее потенциал и электронная температура пульсируют с частотой напряжения разряда. К радиальной неравномерности распределения плотности ионного тока в выходном сечении разрядной камеры, характерной для источника кауфмановского типа, питаемого постоянным током, при переходе на переменный ток добавляются пульсации плотности тока по времени. Пульсации ионного тока ухудшают работу ионно-оптической системы двигателя. Они могут быть уменьшены за счет увеличения частоты питания разряда (до 2 – 2,2 кГц), числа анодов (до 6 – 9) и др.

Проведенные исследования показали, что при питании газоразрядных ионных источников переменным током могут быть достигнуты такие же показатели по энергетической эффективности, плотности ионного тока, пульсациям тока, как при питании источника постоянным током от выпрямителя без сглаживающих фильтров.

Ускоряющая цепь ионного двигателя (т.е. цепь, по которой образующиеся в источнике электроны поступают в нейтрализатор, а затем в ионный пучок) потребляет до 90% подводимой к двигателю мощности, и ее перевод на питание переменным током особенно целесообразен. Одна из возможных принципиальных схем ускоряющей цепи с выпрямлением тока в ионном двигателе представлена на рис. 2.23. Выпрямление высоковольтного тока происходит на анодных узлах, установленных в газоразрядной плазме ионного источника. В схеме использован один нейтрализатор, работающий на постоянном токе. Принцип действия схемы основан на способности квазинейтральной плазмы образовывать экранирующий слой при контакте с твердой стенкой (металлическим электродом). При положительном (относительно плазмы) потенциале электрода этот слой пропускает большой электронный ток с малым падением потенциала на границах слоя, при отрицательном потенциале T0 к снижается до ионного и при определенных условиях экранирующий слой выдерживает без пробоя несколько киловольт. Поэтому, меняя потенциал электрода, можно изменять как ток зарядов к нему, так и потенциал окружающей плазмы.

Рис. 2.23. Принципиальная схема ускоряющей цепи с выпрямлением тока в ионном двигателе:

1 – камера ионизации; 2 – трансформатор цепи разряда; 3 – нейтрализатор; 4 – аноды цепи разряда; 5 – анодные узлы; 6 – трансформатор ускоряющей цепи; 7 – источник постоянного тока; 8 – подача рабочего вещества; 9 – ионный пучок

Если на три анодных узла подать трехфазное переменное напряжение, то потенциал плазмы начинает следить за потенциалом узла, имеющего наиболее высокий потенциал. Между этим узлом и плазмой устанавливается небольшая разность потенциалов, обеспечивающая прохождение по фазе электронного тока нейтрализации. Потенциал плазмы изменяется практически по огибающей диаграммы фазных напряжений. В соответствии с этим изменяется и потенциал корпуса источника, отличаясь на величину порядка электронной температуры. Таким образом, между нейтрализатором («нуль» трансформатора ускоряющей цепи) и корпусом камеры ионизации устанавливается пульсирующая разность потенциалов, необходимая для ускорения ионного пучка. За период изменения питающего напряжения ток нейтрализации переходит с фазы, потенциал которой. уменьшается, на фазу, потенциал которой возрастает в т раз (т – количество фаз). При этом в ионном источнике происходит разделение зарядов: ионы поступают из источника в ускоряющую систему и покидают двигатель в виде ускоренного пучка, а электронный ток замыкается на ионный пучок через нейтрализатор.

Рассмотрим более подробно вопросы выпрямления тока в плазменных объемах. Уже говорилось о возникновении вентильного эффекта в экранирующем слое или в зоне контакта плазмы с любым электропроводным узлом двигателя. Свободный контакт между плазмой и металлическим электродом будем называть открытым плазменным вентиль-анодом.

В некоторых элементах ЭРД подвижность плазменных электронов уменьшается, например, под воздействием внешнего магнитного поля. В ряде случаев возмущения плазмы за счет прямого контакта с электродом недопустимы. В этих условиях для выпрямления переменного тока следует применять газоразрядный вентиль-анод. В отличие от открытого вентиль-анода газоразрядный вентиль-анод выведен за пределы плазменного объема. Однако опорным электродом его разряда по-прежнему является плазменная граница, через которую электроны поступают из основного плазменного объема в прианодную зону вентиля. Плазменная граница выполняет роль виртуального катода для разряда, который загорается в прианодной области синхронно с частотой питающего напряжения. Необходимое давление газа обеспечивается натеканием из двигателя.

Вентильный эффект проявляется также в осе симметричном потоке плазмы, движущемся в неравномерном магнитном поле, вызывающем азимутальный дрейф электронов. При изменении направления электрического поля, а также при определенной величине магнитной индукции проводимость плазменного потока может изменяться в десятки раз, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Поскольку такие условия создаются в канале двигателя с азимутальным дрейфом электронов, вентиль, действующий по данному принципу, называется плазменным вентиль-каналом.

Все рассмотренные разновидности вентилей используют плазму ЭРД как рабочее вещество. Они составляют единое целое с конструкцией двигателя и имеют общую с ним температуру, равную сотням градусов. Это намного выше, чем рабочая температура полупроводниковых вентилей, используемых в современных преобразователях тока. Высокая температура плазменного вентиля составляет его главное преимущество по сравнению с полупроводниковым в космических условиях, где охлаждение элементов возможно только излучением.

Вентильные свойства контакта плазма-электрод во многом повторяют свойства полупроводникового диода. Как известно, последний обладает преимущественно односторонней проводимостью. Она зависит от направления и величины протекающего тока. Направление, соответствующее большей проводимости, называется прямым, направление, соответствующее меньшей проводимости, – обратным. Эффективность вентиля характеризуется коэффициентом выпрямления тока

(2.81)

где Qпр и /пр – проводимость и ток в прямом направлении; Qобр и Iобр – те же величины в обратном направлении.

Вольтамперная характеристика идеального вентиля совпадает с осями координат, т.е. для него выполняются условия

(2.82)

Реальная характеристика отличается от идеальной, поскольку у реального вентиля отношение прямого и обратного тока составляет 103 _ ю4, а отношение допустимого обратного напряжения к прямому Ю2 -103.

Основным элементом полупроводникового вентиля является тонкий слой р – n – перехода. Он обеднен носителями заряда, поэтому его проводимость намного ниже, чем у прилегающих к тонкому слою зон чистого (а = 1 Ом» 1 м» *) и примесного (а = 1000 Ом'1 м»1) полу, проводников. Проводимость р – n-перехода растет с повышением температуры этого слоя что особенно пагубно в обратный полупериод, когда увеличение обратного тока приводит к пробою диода.

Плотность прямого тока вентиль-анода определяется плотностью хаотического электронного тока, поступающего из плазмы к границе экранирующего слоя,

(2.83)

Для газоразрядной плазмы ионных источников пе = 1017 м 3, Те -= 1 эВ «104 К и /Пр = (2… 3)-103 А/м2. Это намного меньше, чему кремниевого диода (106 А/м2), но на порядок больше, чем у селенового (200 – 300 А/м2).

(2.85)

У вентиль-анода, контактирующего с ртутной или аргоновой газоразрядной плазмой, ав будет соответственно 424 и 190, что на 1 – 2 порядка меньше, чем у полупроводникового вентиля.

Большим значением коэффициента выпрямления переменного тока обладает газоразрядный вентиль-анод, в состав которого входят металлический вентиль-анод, изолированный в герметичном корпусе, плазменный эмиттер, например, граница плазмы в ионном источнике, и опорный электрод – корпус источника. Существенным элементом вентиля является деионизатор, разграничивающий прианодную область и плазму основного объема источника. В прямой или проводящий полупериод потенциал вентиль-анода положителен. Между ним и плазменным эмиттером, являющимся виртуальным катодом, поджигается вспомогательный разряд. Положение эмиттера фиксируется отверстиями деио-низатора. Вентиль заполняется проводящей плазмой, по которой выпрямленный ток поступает в цепь нагрузки.

В обратный полупериод потенциал вентиль-анода становится отрицательным, разряд вентиля гаснет и он становится квазивакуумным пространством, пропускающим ограниченный поток ионов. Наличие деионизатора облегчает поджиг разряда в прямой полупериод и уменьшает приток ионов из плазмы основного разряда. Таким образом, в газоразрядном вентиль-аноде используется не столько малая подвижность ионов, сколько искусственное снижение концентрации плазменных ионов в обратный полупериод.

Использованная литература

1.Д. Гришин Н. Лесков – Электрические ракетные двигатели космических аппаратов

2.В.Н. Лебедев – Расчет движения космических аппаратов с малой тягой

Страницы: 1, 2, 3