Ракетно-космическая техника и технология 2015. тез. докл. Российской науч.- техн. конф., посвященной 50-летию первого запуска РН «Протон» 16 июля 1965 года. Федеральное космическое агентство

световода(поз.5), остающаяся изолированной за стенкой камеры сгорания (поз.1), останется неповрежденной и готовой к работе. Для повторного пуска ракетного двигателя (поджига топлива) необходимо будет лишь снова выдвинуть световод в камеру сгорания (поз.1) и подать лазерное излучение от источника (поз.7).

В качестве источника (поз.7) лазерного излучения предполагается использовать сборку лазерных диодов (лазерную диодную матрицу), работающую в непрерывном режиме. Этот режим быстрее разогревает конец световода и не требует сложных систем накачки и источников питания - можно использовать аккумуляторы летательного аппарата. Охлаждение лазерной диодной матрицы достаточно сделать пассивным (кондуктивный теплоотвод на медный или алюминиевый брусок), поскольку время разогрева конца световода и воспламенения топливной смеси происходит за краткий промежуток времени, за который матрица не успевает перегреться.

Применительно к ракетным двигателям был создан комплекс экспериментальных установок, предназначенных для проведения широкого спектра исследований по проблеме лазерного зажигания различных топливных пар: O2+H2, O2+CH4 O2+керосин, O2+С2H5OH. В ходе начального этапа работ были проведены исследования по разработке конструкций ЗУ с различными схемами ввода лазерного излучения, разработке физической модели взаимодействия лазерного излучения с компонентами топлива. В настоящей статье приведены результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований на стенде 5СТ-04 Центра Келдыша по отработке запальных устройств, использующих компоненты топлива O2+H2.

Лазерные модули предназначены для использования в системе лазерного зажигания кислородно-керосиновых и кислородноводородных ракетных двигателей большой размерности, а также разгонных блоков.

Лазерное зажигание обеспечит весовые преимущества по сравнению с разработанной для данного РН химической системой зажигания на уровне 100-150кг. Внедрение СЛЗ на двигатели позволит отказаться от запальниковой системы зажигания, которая имеет свою систему подачи, включая клапана и трубопроводы.

40

Уменьшение веса ракетного двигателя верхних ступеней ракеты позволит настолько же увеличить полезную нагрузку. При прямом лазерном поджиге камеры сгорания не только отпадает необходимость в электроарматуре, необходимой для электроискрового запальника, но и также отпадает необходимость в самом использовании запального устройства и соответственно в отдельных каналах подачи компонентов в запальник.

Литература

1.Н.Б.Пономарев, А.В.Иванов, Г.А.Моталин, Н.В.Плетнев, В. Ю. Гутерман. Лазерное зажигание - новый способ для ЖРД. Характеристики и преимущества. В сб. «Актуальные вопросы планетных экспедиций» по материалам научно-технической конференции, М., 3-5 сентября 2006г.

2.А.В.Иванов, С.Г.Ребров, Н.Б. Пономарев, А.Н. Голиков, Н.В. Плетнев, В.Ю. Гутерман, В.С. Рачук и др. Способ воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (варианты). Патент Российской федерации на изобретение. №2326263 с приоритетом от 14.05.2007

УДК 621.455.4

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ В ИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ

С.О. Ломтев, студент группы РД-111,тел. +7-(909)-211-9730 Г.И. Скоморохов, ВГТУ, д-р техн. наук, проф.,тел. (473) 2376-484

Ионный источник(ИИ) — устройство для получения направленных потоков (пучков) ионов. Ионный источник является важной частью ускорителей заряженных частиц. Наряду с этим ИИ является так же элементом ионного двигателя(ИД) как ускоряющая система(УС) или нейтрализатор.

41

Работу ИИ обеспечивают, как правило, вспомогательные устройства: системы подачи газа, источник питания или устройство испарения вещества.

ИИ подразделяются на: контактные и газоразрядные ИИ. Вгазоразрядных ИИ ионизация атомов рабочего тела

осуществляется в газовом разряде в результате электронных соударений. Газоразрядная камера (ГРК) ИД заполняется плазмой и после через эмиссионное отверстие в передней стенке ГРК часть

Стоит отметить, что газовый разряд в ИИ может иметь место в широких диапазонах экспериментальных параметров и является его важнейшим процессов во всех плазменных или ионных источниках, в которых рабочее тело имеет газообразное агрегатное состояние. Этот процесс будет происходить лишь в том случае, если геометрия ГРК будет обеспечивать значительную энергию, сталкивающихся с рабочим телом электронов, которая будет необходимо для ликвидации связанного электрона.[3]

Вконтактных ИИ ионы образуются за счет поверхностной ионизации при контакте атомов рабочего вещества с нагретой поверхностью.

КИИ предъявляются следующие требования:

1.стабильность пучка во времени;

2.получение нужных ионов с определенным зарядом;

3.получение нужной плотности ионного тока.

УИИ показателем надежности является способность выдерживать линейные и вибрационные нагрузки при выведении на орбиту, а так же поддержание работоспособности в условии вакуума, действия метеоритов и излучений.

Показателем энергетической эффективности ИИ – является энергетическая цена иона в пучке (или ускоренного пучка), которая представляет собой отношение мощности, потребляемой ИИ, к количеству ионов поступающих в УС за единицу времени. Чем меньше энергетическая цена иона, тем выше энергетическая эффективность ИИ.

Одним из факторов определяющим эффективность ИИ является длина пробега первичных электронов. При условии

42

низкого давления разряда и отсутствия магнитного поля, длину пробега электронов можно значительно увеличить, благодаря подачи катодного потенциала на стенки ГРК и одновременного уменьшения размера анода. Схема ИИ такого типа представлена на рис.1.

1 - ГРК, 2 – термокатод, 3-анод, 4-парораспределитель, 5- тепловой экран, 6 – плазменный электрод

Рис.1. ИИ с катодной разрядной камерой

ГРК 1 из тугоплавкого металла имеет форму параллелепипеда. В передней стенке камеры имеется прямоугольное эмиссионное отверстие для извлечения ионов. Боковые стенки камеры выполнены в виде круглого полуцилиндра, благодаря чему уменьшается количество нейтральных атомов, непосредственно отражающихся от боковых стенок в сторону эмиссионного отверстия. Термокатод 2 выполнен в виде нескольких вольфрамовых прутков, электрически соединенных параллельно, размещающихся в ГРК на некотором расстоянии от ее задней стенки. Анодом служит вольфрамовый стержень 3. Пары рабочего вещества поступают в парораспределитель 4. В задней стенке камеры просверлено большое количество отверстий диаметром около 1 мм, равномерно распределенных по площади стенки. Это обеспечивает равномерную подачу атомов в разрядный объем. Для уменьшения тепловых потерь элементы источника окружены многослойным тепловым экраном 5. В рассматриваемом ИИ стенки ГРК поддерживаются под катодным потенциалом, относительная площадь анода мала, и первичные электроны, ускоренные в катодном слое разряда совершают колебания в разрядном объеме.

одинакова во всех точках ГРК, а угловое распределение их скоростей является изотропным.[2]

ИИ Кауфмана является наиболее изученным ИИ с осциллирующими электронами. Для простоты понимания принципа действия изображена упрощенная схема Кауфмана на рис.2.

В цилиндрической разрядной камере 3 размещается проволочный(или полый) катод и цилиндрический анод 2. Торцевые крышки камеры и ее цилиндрические стенки поддерживаются под катодным потенциалом. С помощью электромагнита в разрядном объеме создается осевое магнитное поле. Первичные электроны, эмитируемые катодом 1, расположены вблизи оси камеры и ускоряются в прикатодном слое разряда и движутся по спиральным траекториям, отражаясь от торцевых поверхностей, имеющих катодный потенциал (осциллируют в разрядном объеме).[2]

1- катод; 2- анод; 3- ГРК; 4- катушка электромагнита; 5- плазменный электрод; 6- подача рабочего вещества Рис.2. Упрощенная схема Кауфмана

Величина магнитного поля выбирается такой, чтобы прямой уход первичных электронов на анод, имеющий большую поверхность по наиболее короткому пути, между катодом и анодом был исключен. Это условие выполняется, если ларморовский радиус первичного электрона меньше радиуса ГРК. В рассматриваемом ИИ напряжение разряда выбирается из условия, чтобы энергетическая цена иона была минимального значения и ионы обладали средним значением энергии, при которой катодное распыление элементов ИИ было минимальным. ГРК должна иметь

44

длину, необходимую для того, чтобы с высокой вероятности ионизировать атомы рабочего тела, и тем самым поддержать показатель газовой эффективности на высоком уровне.[1]

В ходе данной работы проведен анализ главного узла ИД, обеспечивающий генерирование плазмы – ионным источником. Проанализировав требования и параметры необходимые при производстве этих источников. Выделили качества, отвечающие высоким требованиям, необходимым при изготовлении ИИ. Также был проанализирован газоразрядный ИИ, который с течением времени опередил контактные ИИ по качеству работы. Провели анализ самых основных видов газоразрядных ИИ – на основе схемы Кауфмана с расходящимся магнитным полем и на основе катодной разрядной камеры, произвели их конструктивный разбор и узнали о методе работы.

Литература

1.Горшков О.А, Муравлёв В.А, Шагайда А.А – Холловские

иионные плазменные двигатели для космических аппаратов , 2008

г, - 280с.

2.Гришин С.Д, Лесков Л.В – Электрические ракетные двигатели космических аппаратов , 1989 г, - 218с.

3.Dan M. G. Katz, I.Gatz – Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thruster, 2008 г, -493 c.

УДК 621.455.4

КОНСТРУКТИВНЫЙ И ФИЗИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЧЕТЫРЕХ-ЭЛЕКТРОДНОЙ ИОС

С.О. Ломтев, студент группы РД-111, тел.+7-(909)-211-9730 Г.И. Скоморохов, ВГТУ, д-р техн. наук, проф.,тел. (473) 2376-484

Четырех-электродная ИОС весьма нестандартная модификация традиционной трех-электродной ускоряющей системы. Следствием добавления еще одного электрода стало отделение процесса ускорения ионов от процесса их извлечения из пространства ГРК.

45

При этом извлекающая разность потенциалов и соответствующий ей оптимальный межэлектродный зазор подбираются по критериям:

1)Извлечение максимальных плотностей тока.

2)Ограничение значения электрического пробоя. Дополнительное ускорение до заданных скоростей истечения

производится в следующем промежутке, который в этом случае не требует значительного уменьшения, так как не является определяющим по извлекающей способности системы.

Перераспределение потенциалов между электродами способствует повышению фокусировки пучка и, как следствие, положительно себя показывает на эффективном использовании ресурса электродов, по причине того, что снижается прямой перехват ионов на ускоряющую и на извлекающую сетки. Такая система для использования в космической технике была предложена Д.Ферном, в первую очередь для утилизации высоких неиспользуемых мощностей энергоустановки для пилотируемых аппаратов для исследования планет Солнечной системы. В конце 90-х Й. Накаяма и П. Вильбур предприняли попытки моделирования основных параметров многоэлектродных ИОС. В 2004-2008 г Европейское Космическое агентство провело ряд НИОКР по подтверждению возможности создания прототипа двигателя с четырех-электродной ИОС и демонстрации его характеристик .[1]

Результатом этой работы стало создание высокочастотного источника ионов со следующими параметрами:

-43 апертуры d=1мм;

-Тяга 2.7-5.4 мН (миделева тяга 0.86 мН/см2); -Удельный импульс 14000 с; -Угол расходимости пучка 5 градусов; -Рабочий потенциал до 17Кв; -Ток пучка 4-33 мА.

Сравнение этих первых результатов летных моделей ИД нового поколения дает нам право говорить о резком скачке вперед при проектировании ИОС.[1] Также стоит отметить, что благодаря перераспределению потенциалов между электродами, произошло улучшение фокусировки и извлекающей способности всей системы.

46

Важными проблемами по проектированию четырехэлектродных ИОС является конструкционное усложнение системы ускорения и вопрос юстировки апертур электродов. Ведущиеся в данный момент исследования в области проектирования четырехэлектродных ИОС в университете Саутгемптона под руководством С. Габриеля показали возможность сохранения имеющихся высоких ресурсов ИОС при замене четвертого электрода на “охранное кольцо“. Использование четырех-электродной ИОС показывает пятикратное увеличения ресурса работа по сравнению с традиционной системой. Если же подойти к экономическому вопросу, то наиболее интересным моментом выступает использование данной модели ИОС с целью улучшения интегральных параметров для существующих конструктивных моделей ИД. Жесткое ограничение массогабаритных характеристик двигателя и системы электропитания не позволит в полной мере воспользоваться преимуществами такого решения, но результаты моделирования и оценочные расчеты, значительные положительные изменения характеристик ИД даже при общем перепаде напряжений до 5 кВ характерном для существующих ИД.

На рис.1 представлена возможность повышение извлеченной плотности ионного тока с переходом от традиционной к четырехэлектродной системе ускорения при оптимизации по извлеченному току и половинному углу расходимости пучка при неизменных условиях разряда в рамках общей геометрии ячейки ИОС. Картина роста извлеченного тока можно считать показателем пропорционального роста тяги и удельного импульса при прочих равных условиях .

Рис.1. Сравнение извлекающей способности традиционной и четырех-электродной ИОС[1]

47

Данная модернизация не только повысила извлекающую способность, но и обеспечило те, же высокие показатели и при невысоких напряжениях. Результаты моделирования систем ускорения при более низких напряжениях демонстрируют возможность улучшения параметров и в этом диапазоне

(рис.2,рис.3).

Рис.2. Ионный пучок в традиционной системе ускорения при невысоких напряжениях (полуугол расходимости пучка 24°,

ток = 0,367мA)

Рис.3. Ионный пучок в четырех-электродной системе ускорения при невысоких напряжениях (полуугол расходимости пучка 17,3°,

ток=0,413мA)

По результатам прямого моделирования сложно рассчитать реальные изменения ресурса двигателя, но можно заметить, что пучок в межэлектродном зоне четырех-электродных систем в общем случае сфокусирован. Этот эффект должен сказываться положительно, уменьшая число ионов, выпадающих на ускоряющий электрод из прямого пучка .По анализу данной модели ИОС, стоит отметить ее значительную эффективность по сравнению с традиционной аксиально-симметричной ИОС.[1] Применение модернизированной ИОС позволяет решить проблему:

1.Достижение максимальных рабочих параметров.

48

2.Уменьшение угла расходимости пучка.

3.Увеличение ресурсов электродов.

Четырех-электродная ускоряющая система по сравнению с традиционной трех-электродной системой ускорения более эффективна, так как данная ИОС позволяет достичь наиболее высоких рабочих параметров работы ИД, увеличения ресурса работы электродов, благодаря более высокой фокусировки пучка, уменьшение угла расходимости и снижения прямого перехвата ионного пучка. Несмотря на конструкционное усложнение и имеющиеся вопросы в юстировке апертур электродов, четырехэлектродная ИОС совершает огромный скачок вперед по характеристикам относительно имеющихся моделей ИОС.

Литература

1Казаков Е.Н, Смирнова М.Е, Хартов С.А – Анализ проблем использования четырех-электродных ионно-оптических систем для перспективных электроракетных двигателей, Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 70 ,2013г, 21 с.

2Dan M. G. Katz, I.Gatz – Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thruster, 2008 г, 493 с.

УДК 621.454.2

ОСОБЕННОСТИ ТРАКТА С МЕЖКАНАЛЬНОЙ ТРАНСПИРАЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯВ ЖРД

А.В.Суслов, ВГТУ, студент группы РД-111, тел. 8-952-547-0813 С.А. Тарасов, ВГТУ, студент группы РД-111, тел. 8-900-300-9428 Г.И. Скоморохов, ВГТУ, д-р техн. наук, проф., тел. (473) 2376-484

Транспирационное охлаждение — метод теплозащиты, при котором внутренняя стенка камеры или ее часть (если транспирационное охлаждение применяется на определенном участке) изготавливается из мелкопористого материала с диаметром пор в несколько десятков микрон. Пористый материал обычно получают спеканием порошков металлов или прессованием металлических сеток. При этом стремятся к тому, чтобы

49