Материал: 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

- По количеству электродов на - трех и четырехэлектродную систему.

Главной целью проектирования ИОС – является повышение ресурса работы ИОС, который зависит в основном от процесса распыления ускоряющего электрода.

В отличие от аксиально-симметричной ИОС, которая представлена на рис.1, в щелевой ИОС электроды выполняются в виде набора из тонких параллельных нитей или стержней. Такая конструкция позволяет повысить коэффициент прозрачности электродов ускоряющей системы, но при этом происходит снижение коэффициента использования рабочего тела от 5 до 10 % .[1] На рис.2 представлено конструктивное отличие традиционного и щелевого электрода.

Рис.2. Конструктивное отличие геометрии ИОС (справа щелевая, слева традиционная)

Приоритетом в выборе щелевой системы является существенное снижение трудоемкости при изготовлении электродов, по причине меньшего числа щелей по сравнению с традиционной системой.

Так же щелевая ИОС представляет собой интерес из-за возможности применения углерод-углеродного композита для создания из него электродов ИОС, позволяющий долгое время сопротивляться распылению ускоряющего электрода и тем самым повысить ресурс работы ИОС. Вследствие своего строения, углерод-углеродный композит не может быть использован в традиционной ИОС, так как его сетчатое графито-волокнистое строение оказывается разрезанным круглыми щелями, что в значительной мере понижает механические свойства ИОС. В

55

щелевой системе по причине расположение щелей, параллельно волокнам композита, многие из них окажутся не разорванными и сохранит положительный эффект от его использования.[1] Среди недостатков щелевой системы по сравнению с традиционной системой:

1.Сильная чувствительность к изменению полного напряжения.

2.Узкий диапазон плотности тока, обеспечивающий отсутствие прямого перехвата ионного пучка.

3.Падение коэффициента использования рабочего тела при переходе от традиционной к щелевой системе.[3] Для сравнения на практике двух систем приведем пример ИОС

“RUDI”.

Переход на щелевую оптику позволил этой модели повысить прозрачность плазменного электрода и уменьшить угловую расходимость пучка. Сравнение рабочих параметров традиционной

ищелевой ИОС приведено в таблице.

Стоит отметить что при проектировании щелевой или традиционной ИОС общей проблемой является наличие теплового воздействия на электроды ускоряющей системы, в результате попадания на их поверхность частиц плазмы из источника, т.к для аккуратного формирования пучка с малой расходимостью к взаимному расположению электродов предъявляются достаточно жесткие требования. Благодаря расчетам количественной оценки тепловой деформации в Институте ядерной физики им. Г.И. Будгера были проанализированы 20 вариантов геометрии ИОС, с

56

целью обеспечения минимального теплового воздействия. Рабочие расчеты по изучению тепловых воздействий на ИОС, показали, что оптимальном в отношении величин продольных и поперечных деформаций является геометрия со щелями длиной до 60 мм и прозрачностью ~67%. При дальнейшем повышение прозрачности происходило снижение механической прочности и жесткости сетки, что приводило к росту тепловых деформаций.[4]

В ходе данной научно-исследовательской работы проведенной по перспективным моделям ионно-оптических систем для ионных двигателей, рассмотрены две модели ИОС: аксиальносимметричную и щелевую. Установлено, что применение щелевой системы ускорения ионов более перспективно. Преимуществами этих систем является: пониженная трудоемкость, повышение ресурса электродов, малый угол расходимости, использование совершенных композитных материалов.

Литература

1.Горшков О.А.Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов , 2008 г,-280с.

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

3. Dan M. Goebel. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thruster, 2008г,-493с.

4.ЛистопадА.А, ДавыденкоВ.И, ИвановА.А.Многощелевая четырехэлектродная ионно-оптическая система для формирования диагностического пучка быстрых атомов., 2012 г, -16 с.

57

УДК 621.455.4

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И СЛОЖНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С.О. Ломтев, ВГТУ,студент группы РД-111, тел. +7 (909)-211-9730

Электроракетный двигатель (ЭРД) – тип ракетных двигателей, использующих электрическую энергию для ускорения рабочего тела и создания тяги. Рабочее тело таких двигателей может быть весьма разнообразным. В качестве рабочего тела в подобных двигателях могут применяться как жидкости и газы, так и смеси этих веществ. Существуют комбинации или отдельные монокомпоненты, способные максимально увеличить эффективность эксплуатации различных подвидов ЭРД.

В последнее время среди разработок ЭРД, ключевое место стали занимать исследования в области высокочастотных ионных двигателей. Стоит заметить, что ВЧИД является двигателем семейства электростатических двигателей, работающих на ионах благородных газов, (как например ксенон, аргон), ускоряемых вихревым электростатическим полем, с последующей компенсацией заряда ионного потока на выходе.

Принципиальная схема ВЧИД состоит из:

1.Узла подачи рабочего тела.

2.Газоразрядной камеры, выполненной полностью из керамики.

3.Индукционных катушек, находящихся вокруг ионизирующей камеры.

4.Ионно-оптической системы, состоящей из эмиссионного, ускоряющего и замедляющих электродов.

5.Катода-нейтрализатора.

6.ВЧ-генератора.

58

ВЧИД работает следующим образом:[1] В ГРК подается рабочее тело (например, ксенон) через

высоковольтный анод, являющийся газораспределителем. ВЧ мощность в радиочастотном диапазоне подводится от ВЧгенератора к индуктору и затем внутрь ГРК. Зажигание разряда инициируется кратковременной подачей электронов, эмитируемых нейтрализатором в разрядную камеру. После зажигания в разрядной камере поддерживается ВЧ разряд индуктивного типа. В разряде нагреваемые ВЧ электромагнитным полем электроны производят ионизацию рабочего тела. На стационарном режиме работы нейтрализатор служит для инжекции электронов в пучок извлекаемых ионов, что обеспечивает токовую нейтрализацию плазменной струи.

1 – система подачи рабочего тела,2- ВЧ индуктор,3-эмиссионный электрод, 4 –ускоряющий электрод,5 –замедляющий электрод, 6 – нейтрализатор, 7 – газоразрядная камера

Схема высокочастотного ионного двигателя

ВЧИД имеет преимущества, выделяющие его среди двигателей типа СПД и ИД по схеме Кауфмана таких как:[3]

1.В конструкции двигателя отсутствует разрядные электроды, необходимые для поддержания плазменного разряда.

59