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

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