b3

Двухступенчатые двигатели с анодным слоем

Первоначально был изучен одноступенчатый высоковольтный двигатель ДАС. Одноступенчатый ДАС имел наиболее простую конструкцию. Магнитная система создает в кольцевом зазоре преимущественно радиальное магнитное поле, индукция которого имеет колоколообразное распределение по ширине зазора, вблизи анода и в выходном сечении ускорительного канала величина индукции минимальна.

Одноступенчатый высоковольтный ДАС имел два основных недостатка:

1. увеличенный разброс скоростей истечения ионов, так как они образуются в различных сечениях слоя и проходят разные ускоряющие разности потенциалов;

2. электроны, приходящие из слоя, могли интенсивно нагревать анод, и охладить его излучением не было возможно.

Для преодоления этих недостатков была предложена схема двухступенчатого высоковольтного ДАС. В нем используются два последовательно расположенных анодных слоя, первый является генератором ионов, второй — собственно ускорителем.

В двухступенчатом ДАС практически полностью устраняются недостатки одноступенчатого. Атомы рабочего вещества ионизуются в основном (на 70-80%) в разрядной ступени, где разрядное напряжение составляет 150-400 В (в зависимости от вида рабочего вещества).

В результате поступающие на анод-газораспределитель электроны обладают энергией, на порядок более низкой, чем в одноступенчатом ДАС, что существенно снижает тепловую нагрузку анода. Ионы, образовавшиеся в разрядной ступени, поступают в ускорительную ступень в одной плоскости и проходят практически одинаковую ускоряющую разность потенциалов. Электроны, образовавшиеся в ускорительной ступени при ионизации оставшихся 20-30%, перехватываются кольцевыми электродами, тепловой режим которых также является менее напряженным, чем режим анода в одноступенчатом ДАС, из- за более низкой плотности электронного тока, поступающего на электроды.

Современные ДАС также разрабатываются в двух вариантах одноступенчатом, с применением удлиненного полого анода и вынесенного слоя ионизации и ускорения за пределы ускорительного канала, и двухступенчатом. Однако, двухступенчатые ДАС в отличие от СПД и одноступенчатых являются более высоковольтными двигателями. Характерные рабочие напряжения составляют от одного до нескольких кВ, в то время как в СПД и одноступенчатых ДАС - несколько сотен В.

3.2. Выбор рабочего тела ЭРД

В качестве рабочего тела современных ЭРД используется ксенон высокой чистоты. В данной работе предлагается в качестве альтернативного рабочего тела использовать иод. Ксенон и иод обладают примерно одинаковыми характеристиками (атомный вес, потенциал ионизации). Но в катоде компенсаторе находится гексаборид лантана, который очень чувствителен к различным веществам, поэтому предлагается подавать ксенон на катод, а иод - на анод.

Плюсы использования йода в качестве рабочего тела:

• Стоимость 1 кг. йода составляет 600 руб., а стоимость ксенона составляет 200 руб. за 1 гр., Притом, мировая добыча йода составляет 10000 т. в год, а производство ксенона ограничивается 20 т. в год;

• Йод не ядовит и не отравляет вакуумную систему стендовой базы;

• Для наземной отработки двигателя на йоде нужно ставить криопанели, охлаждаемые азотом, а для отработки двигателя на ксеноне - на гелии;

• Плотность йода составляет 4,9 гр/смЗ, а плотность ксенона ~ 1 гр/смЗ (при давлении в баке 70 атм.), что обуславливает уменьшение объёма и массы СХП при использовании йода;

• Йод не конденсируется на конструкцию КА (в отличие от металлов);

• Не требуется многоступенчатого понижения давления, что ведёт к уменьшению габаритов и массы СХП.

4. Расчёт основных параметров двигателя

4.1. Расчёт основных характеристик

Математическая модель анодного слоя показала, что для оптимальной работы двигателя критерий

характеризующий роль пространственного заряда ионов в анодном слое должен оставаться равным единице.

Протяженность слоя определяется, как

где - циклотронная частота электрона.

Так как ц=1, то

Подставляя выражение для протяженности анодного слоя, получим

где е - заряд электрона; В - среднее значение магнитного поля; М - масса иона; - сечение столкновения атомов и электронов; - эффективное сечение ионизации; - скорость электронов.

Таким образом, выше записанное выражение позволяет определить критическую плотность тока нейтралов, обеспечивающую вероятность ионизации в слое более 50%.

Многочисленные эксперименты в области ускорителей с анодным слоем показали, что

Ожидаемая температура анода, с учетом экспериментальных данных моделей двигателей с параметрами близкими к заданным, составит Т=1000 К. Тогда с учетом выше изложенного и подсчетом всех констант получим

Характерное значение величины в знаменателе составляет

Основываясь на экспериментальных данных моделей двигателей с анодным слоем большой мощности, величина магнитного поля проектируемого двигателя в области проектных параметров составит примерно 0.1 Тл.

С учетом всего выше сказанного численное значение критической плотности тока нейтралов составит

Запишем систему уравнений, связывающих параметры двигателя

где F - тяга двигателя; - удельный импульс; - рабочее напряжение;

- тяговый КПД; - разрядный ток; m - массовый расход рабочего тела; - мощность двигателя.

Значение тягового КПД =0.71, проектируемая максимальная электрическая мощность =35000Вт, удельный импульс =43.7 км/с.

Определим значение тяги двигателя

Определим величину ускоряющего напряжения по выведенной формуле

Значение массового расхода рабочего вещества определим как:

Величина массового расхода, пересчитанного в эквивалентные токовые единицы равна:

Как известно в области нормального ускорительного режима ток ускоряющей ступени равен массовому расходу рабочего вещества выраженного в токовых единицах:

Диапазон оптимальных разрядных напряжений, в пределах которого реализуется нормальный ускорительный режим, зависит от рода рабочего вещества и равен Up=300-400 В.

Ток разрядной ступени определим из следующего соотношения: =( -. )/= (35000 -1650-25)/400=5А

Располагая основными параметрами двигателя, определим площадь выходного кольца разрядной камеры (кольцевое сечение анодного слоя):

Полагая межполюсный зазор 1=20 мм (с учетом графитовых экранов) средний диаметр разрядной камеры Dcp=200 мм.

Как показал расчет, двигатель со средним диаметром разрядной камеры 200 мм является оптимальным с точки зрения проектных параметров.

4.2. Расчёт подачи рабочего тела в анод

Первый коллектор служит для устранения азимутальной неравномерности, вызванной подачей рабочего газа в тороидальный коллектор через один штуцер. Для устранения этой неравномерности применено профилирование диаметра отверстий при их симметричном расположении относительно штуцера подачи рабочего тела.

Для определения диаметров отверстий в 1-м коллекторе при условии равенства расходов через отверстия, применим метод электрогидравлической аналогии. При принятом условии симметрии относительно штуцера подачи минимальное число равнораспределённых отверстий в 1-м коллекторе равно 4-м.

Расчёт для 4 отверстий

Rk1 Rk2

Равенство расходов через 1 и 2 равносильно требованию равенства токов через Roi и Ro2. Давление - аналог потенциала.

По второму закону Кирхгофа: (1)

(2)

Выразив сопротивление через проводимость:

равенство (2) примет вид

=.(1-) или =(1-)

Учитывая симметричное расположение отверстий в коллекторе относительно штуцера подачи рабочего тела, расчёт ведётся для половины коллектора.

-сопротивление всего коллектора