Разработка высокоэффективной газоразрядной камеры плазменно-ионного двигателя малой мощности (50-150 Вт)

• Автор: Зикеев, Михаил Владимирович
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 168 с.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ ПЛАЗМЕННО-ИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
1.1. Обзор задач и требований к электроракетным двигательным установкам на малоразмерных космических аппаратах
1.2. Анализ эффективности применения плазменно-ионных двигателей малой мощности на малых космических аппаратах

1.3. Обзор существующих плазменно-ионных двигателей малой мощности

1.4. Основные этапы совершенствования газоразрядных камер плазменно-ионных двигателей

1.4.1. Принцип действия плазменно-ионного двигателя

1.4.2. Физические процессы и характерные параметры в газоразрядной камере
1.4.3. Обзор работ по поиску области рациональных параметров газоразрядных камер плазменно-ионных двигателей
1.5. Постановка задачи
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Методика определения интегральных параметров газоразрядной камеры
2.2. Описание экспериментального стенда
2.3. Предварительные эксперименты
2.4. Разработка методики проведения зондовых измерений в

газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя
2.4.1. Теория зондов
2.4.2. Выбор конструкции и размеров зонда
2.4.3. Расчет теплового состояния ленгмюровских зондов для измерений параметров плазмы в плазменно-ионном двигателе
2.4.4. Методы обработки зондовых характеристик при наличии в плазме немаксвелловских электронов
2.4.5. Оценка достоверности результатов зондовых измерений
2.5. Создание системы зондовых измерений локальных параметров плазмы в газоразрядной камере плазменно-ионного двигателя
2.6. Порядок проведения зондовых измерений
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ КАМЕРЕ ПЛАЗМЕННО-ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
3.1. Результаты измерений рабочих параметров двигателя ИД-50 в ходе зондового эксперимента
3.2. Результаты обработки зондовых измерений
3.3. Анализ распределений локальных параметров плазмы газоразрядной камеры ИД-
ГЛАВА 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ПАРАМЕТРОВ РАЗРЯДА
4.1. Выбор рациональной геометрии газоразрядной камеры 5-см плазменно-ионного двигателя
4.2. Рекомендации по выбору геометрии газоразрядной камеры для плазменно-ионных двигателей малой мощности
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АПН - анодный полюсный наконечник;
ВАХ - вольтамперная характеристика;
Г - геттер;
ГРК - газоразрядная камера;
ГСО - геостационарная орбита;
ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли;
ДУ - двигательная установка;
ИОС - ионно-оптическая система;
ИСЗ - искусственный спутник Земли;
КА - космический аппарат;
КПН - катодный полюсный наконечник;
МКА - малый космический аппарат;
ПИД - плазменно-ионный двигатель;
ПК - полый катод;
PH - ракетоноситель;
РРГ - регулятор расхода газа;
РТР - ретранслятор;
САС - срок активного существования;
СПД - стационарный плазменный двигатель; С-Ю - север-юг;
ТМН - турбомолекулярный насос;
ЭРД - электроракетный двигатель;
ЭРДУ - электроракетная двигательная установка.

анод должна обеспечивать поддержание разряда. Двигатель с тем или иным магнитным полем должен обеспечивать радиально равномерное распределение плазмы, то есть атомы рабочего тела должны эффективно ионизоваться при низком расходе энергии в разряд. Равномерность распределения плазмы имеет и другое важное достоинство - обеспечение плоского профиля пучка, влияющего как на тягу, так и на ресурс двигателя.
В современных плазменно-ионных двигателях используются магнитные поля каспового (США, Япония) или расходящегося (Россия, Великобритания) типов. Как показывают достигнутые параметры (таблица 1.1), их влияние равноценно.
Параллельно с разработкой ГРК интенсивно отрабатывались конструкции катодов. Первоначальное распространение получили так называемые оксидные термоэлектронные катоды, но впоследствии произошел переход на полые катоды, используемые по сегодняшний день. Данный переход был связан с тем, что термоэлектронные катоды требовали большей электрической мощности для своей работы по сравнению с полыми (100...200 Вт согласно [32] для 15-см двигателя против 20 Вт, 8... 12 % от полной мощности двигателя против 2 % у Бехтеля [42]). Кроме того, они деградировали, если после нагрева подвергались воздействию кислорода, а также их нельзя было предварительно испытывать до момента начала штатной эксплуатации в летных условиях. Полые катоды не только экономичнее, но могут работать и в авторежиме. Управление эмиссией в таких катодах осуществляется регулированием разрядного напряжения, которое, в свою очередь, при фиксированном разрядном токе зависит от расхода через катод. Стоит отметить, что в термоэлектронных катодах, ток эмиссии определялся температурой катода, а разрядное напряжение - поданной разрядной мощностью, то есть можно было осуществлять независимое управление током и напряжением [28]. Полые катоды могут подвергаться предварительным испытаниям и обладают большим ресурсом: согласно [42], ресурс термоэлектронных катодов не превышал 3000 часов, тогда как ресурс полых катодов даже для ртутных двигателей превышал 10000 часов. Относительными недостатками [42] полых катодов явилась необходимость усложнения конструкции ГРК путем добавления поджигного электрода для инициации разряда и отражателя - баффла для оптимального ввода электронов в разрядную камеру. В