автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.10, диссертация на тему:Влияние граничных условий на рабочие процессы и интегральные характеристики ускорителя с замкнутым дрейфом электронов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ,, , (технически)) университет)

На правах рукописи УДК 621.455.32

Жакупов Айдар Бексултанович

ВЛИЯНИЕ ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ НА РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРИТЕЛЯ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ.

05.07.10 - Электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Московском государственном авиационном институте

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Латышев Л.Л. доктор физико-математических паук, профессор Жариков A.B. кандидат технических наук, с.u.c. Хохлов Ю.А. Институт ядерного синтеза РНЦ "Курчатовский институт"

Защита состоится "_"_1996 г. в_часов на

заседании диссертационного Совета К 053.18.13 в Московском государственном авиационном институте по адресу: 125871, Москва, Волоколамское шоссе, 4. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Автореферат разослан " " (рЁ&р&ЛЯ 1996 г.

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экз., заверенные печатью, просим высылать по адрессу: 125871 Москва, Волоколамское шоссе, 4, МАИ, ученому секретарю Совета К 053.18.13.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

Григорьян В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Электроракстные двигатели (ЭРД) обладаю! значительными преимуществами перед химическими дкшателями при решении целого ряда задач, в частности, при использовании в системах ориентации, стабилизации н коррекции орбит космических летательных аппаратов (КЛА) с суммарным импульсом тяги (10-ь 20)10^ Н е. Одним из наиболее перспективных типов ЭРД является, так называемый, стационарный плазменный двигатель (СПД), разработанный на основе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДП). По сравнению с другими типами ЭРД СПД обладает рядом существенных преимуществ. К ним относятся простота конструктивной схемы, малое количество потребных номиналов электропитания и достаточно высокие тяговые характеристики. Наземные исследования двигательных установок (ДУ) с СПД и многократные космические испытания подтвердили эффективность использования СПД в системах ориентации и коррекции орбит искусственных спутников Земли (ИСЗ), а также надежность таких ДУ и совместимость их с остальными системами КЛА. В настоящее время ДУ с СПД успешно эксплуатируются на ИСЗ "Галс" и "Экспресс" и планируется дальнейшее расширение применения СПД, в том числе и на зарубежных аппаратах.

УЗДП находит широкое применение в технологических установках для ионно-плазменной обработки материалов в вакууме, а также в качестве источника плазмы при проведении активных геофизических экспериментов.

Расширение областей применения УЗДП и тенденции их развития обуславливают появление новых и повышение традиционных требований к интегральным характеристикам и функциональным возможностям ускорителей. Так, в связи с уменьшением массо-габаритных параметров перспективных КЛА и связанных с этим мощностей бортовой энергоустановки, актуальными становятся задача создания ДУ малой мощности (N5300 Вт) с достаточно высокими тяговыми характеристиками, проблемы обеспечения необходимого ресурса работы, снижения расходимости ионного пучка и уменьшения интенсивности его взаимодействия с поверхностью аппарата.

Цель работы.

Цепью настоящей работы является исследование возможностей повышения основных параметров УЗДП малой мощности и разработка рекомендаций по проектированию двигателей типа СПД перспективных схем.

Научная новизна.

- Проведем теоретический анализ влияния пристеночных процессом на распределения" объемного наряда и электрического поля п зоне ускорения УЗДП, показаны принципиальная возможность и пути повышения интегральных характеристик ускорителя;

- Теоретически и экспериментально исследованы влияние конфигурации сгенок, эмиссионных и электрических свойств материала ускорительного канала на рабочие процессы и характеристики УЗДП. Показана возможность значительного улучшения основных параметров ускорителя за счет выбора более рациональной геометрии ускорительного канала;

- Проведено исследование особенностей работы УЗДП с многосекционным проводящим каналом;

- Расширен диапазон соотношений геометрических параметров УЗДП, позволяющих улучшить тяговые характеристики моделей малой мощности;

- Изучено влияние параметров магнитного поля за срезом ускорителя на расходимость ионного потока и характеристики УЗДП.

Практическая ценность.

Выработаны рекомендации по повышению основных интегральных параметров ускорителя (тяговый к.п.д., цена тяги) на 7... 10%, снижению расходимости ионного пучка на 20...30%, в частности,

- показана возможность создания и исследованы особенности работы модели УЗДП с многосекционным проводящим каналом, основными достоинствами которой являются достаточно высокие тяговые характеристики (г)т ~ 0,6);

- разработана модель УЗДП малой мощности (N ¿ 300 Вт) с диаметром наружной стенки канала 050 мм и тяговыми характеристиками, достигающими уровня традиционных УЗДП (т^т ~ 0,5).

Разработана и экспериментально исследована конструктивная схема УЗДП с навесной магнитной системой, позволяющая снизить расходимость ионного пучка на 15...20%.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены на межведомственном семинаре по электроракетным двигателям (Московский авиационный институт, Г995 г), на 24- ой Международной конференции по электроракетным двигателям - IEPC, Москва 1995 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликована I печатная работа.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 76 наименований. Объем диссертации составляет 156 страниц, включая 70 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследования, раскрыто основное содержание работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния разработки ускорителей с замкнутым дрейфом электронов н протяженной зоной ускорения (УЗДП).

Как следует из обзора публикации, совершенствование УЗДП шло в направлении сокращения протяженности ЕхВ слоя. На первом этапе исследований повышение тяговых характеристик ускорителя было достигнуто путем оптимизации конфигурации магнитного поля в ускорительном канале. Было показано, что оптимальный режим реализуется в моделях с нарастающим от анода к срезу канала индукцией магнитного поля и, что повышение градиента УВг(г) позволяет существенно улучшить фокусировку ионного потока. Установлено, что в УЗДП имеет место оптимальное значение УВг(г), при котором характеристики ускорителя максимальны. Распределение ускоряющего электрического поля в канале определяется азимутальным дрейфом электронов и существованием градиента электронного давления и сосредоточено преимущественно в области максимальных значений индукции магнитного поля Вг2:0,6Впом (зона ускорения).

В УЗДП с проводящими вставками в выходной части канала, за счет снижения интенсивности взаимодействия электронов со стенками канала, было реализовано еще большее сокращение протяженности зоны ускорения (ЗУ), позволившее значительно повысить тяговые параметры УЗДП.

Вместе с тем, достигнутый к настоящему времени уровень понимания физических процессов и разработанные конструктивные схемы УЗДП не вполне отвечают современным требованиям. Сравнительно мало изученными являются вопросы влияния конфигурации и свойств материала стенок канала на эффективность работы УЗДП. Имеются трудности сохранения достаточно высоких характеристик при создании ускорителей малых размеров и мощности. Актуальна проблема снижения расходимости ионного пучка, взаимодействия заряженных частиц со стенками и др. Поэтому в диссертации были поставлены следующие задачи исследования:

1) исследовать процессы в прианодной части разряда в УЗДП и поиск путей их более оптимальной организации;

2) проанализировать пристеночные явления в зоне ускорения и способы воздействия на формирование продольного электрического поля;

3) экспериментально проверить эффективность предложенных решений по повышению тяговых характеристик УЗДП;

з

4) рассмотреть возможности снижения расходимости конного пучка путем изменения структуры магнитного поля за срезом ускорителя.

Во второй главе дано описание экспериментальною стенда и методов измерений. Приведены оценки погрешностей измерений. Представлены результаты исследования по снижснйю расходимости ионного пучка УЗДП.

Данная часть работы посвящена изучению вопроса о возможности активного фокусирующего воздействия на ионную струю за срезом ускорителя, путем изменения конфигурации магнитных силовых линий на выходе ускорительного канала. При этом предполагалось. что за счет изменения конфигурации эквипотенциалей на выходе, удастся сфокусировать периферийные потоки ионов, обладающие низкой энергией. Для изменения структуры спадающей части магнитного поля была предложена дополнительная навесная магнитная система (НМС). Аналоговое моделирование магнитного поля на электролитической ванне показало, что использование НМС позволяет заметно менять структуру магнитных силовых линий за срезом ускорителя.

Эксперименты проводились на модели УЗДП типа М-70 (диаметр наружной стенки канала 70 мм) с навесной магнитной системой (рис. 1). Результаты экспериментов по исследованию тяговых характеристик модели, проведенных при различной геометрии и величине тока в дополнительных катушках возбуждения НМС показали, что включение НМС в состав УЗДП не приводит к заметной перестройке режима работы ускорителя. Измерения структуры ионного пучка свидетельствуют о том, что при работе НМС происходит уменьшение потока ионов в периферийной части и увеличение в осевой части пучка (рис.2). Снижение расходимости ионного пучка УЗДП при использовании НМС составило ~20%. Оценка возможного ресурса данной системы, проведенная на основании результатов измерения ионного тока на элементы НМС, показала, что даже в данном варианте он может составить более 10' часов.

Таким образом, применение НМС позволяет заметно воздействовать на структуру и расходимость ионного пучка на выходе УЗДП. Достоинствами предлагаемой схемы являются практическое отсутствие влияния на параметры рабочего режима ускорителя и незначительная мощность, необходимая для создания дополнительного магнитного потока. Вследствие этого, схему УЗДП НМС можно рассматривать как одну из достаточно эффективных систем для применения в составе как уже созданных, так и перспективных ДУ, а также в установках ионно-плазменной технологии.

Я А/м2

Рис.1. Конструктивная схема модели ускорителя М-70НМС: I - ускоритель; 2 - фланец; 3 - катушка возбуждения НМС; 4 - сменный дистанционатор; 5 - полюс НМС.

60

50

40

30

20

10

• —о-о-М-х х М- 1 Я ООО г- (артная) -1н»с=0 А А

-400

300

- 200 - 100

0

100

200

300

К. мм

Рис.2. Распределения плотности ионного тока пучка по радиусу на расстоянии г=500 мм.

Третья глава посвящена изучению процессов в прианодной области УЗДП и возможности более оптимальной их организации. Малая величина продольного электрического поля в прианодпой области при значительной радиальной составляющей определяет существенную расходимость ионного потока на выходе ускорителя. Сокращение продольной протяженности прианодной части канала возможно позволит увеличить значения Ег и снизить влияние радиальных перепадов потенциала на формирование ионного потока.

Проведенный комплекс экспериментальных работ по исследованию влияния протяженности канала на тяговые характеристики УЗДП показал, что ускорители типа М-70 могут устойчиво работать при сокращении длины канала до 12...14 мм, т.е. равной ширине канала ЬК=ЬК, без ухудшения основных параметров. Величина индукции магнитного поля у анода при этом составляла (0,2...0,3)ВГм«. В диапазоне разрядных напряжений иР< 300 В имеет место повышение тяговых характеристик на 5...6 %.

Зондовые измерения локальных параметров плазмы внутри канала и ионного пучка на выходе ускорителя, проведенные для двух положений анода (25 и 14 мм от среза канала), свидетельствуют, что при выдвижении анода имеет место существенная перестройка рабочего процесса (рис.3). Так, для короткого канала (М-70К) характерно более крутое распределение всех основных параметров плазмы, сужение зоны основного падения потенциала и поджатие ее к срезу канала, повышение температуры и концентрации электронов, и более высокие плотности ионного тока на стенки канала. Последнее, очевидно, связано с общим повышением концентрации заряженных частиц в прианодной области, вследствие увеличения ионизирующей способности электронов. Это, главным образом, определяет повышение неэффективных затрат энергии в М-70К на единицу длины канала. Повышение тягового к.п.д., в основном, обусловлено увеличением ионного тока пучка и, соответственно, тяги, создаваемой ускорителем. Оценки, сделанные в работе, показывают, что это определяется сужением ЗУ и увеличением "сектора выхода" ионов.

Анализ полученных данных позволяет качественно объяснить влияние положения анода на распределения локальных параметров плазмы и организацию рабочих процессов в ускорителе. Это свидетельствует о возможности целенаправленного управления процессами в прианодной области. Наиболее важными являются процессы формирования электрического поля и переноса разрядного тока

1 епе епе ' ]р = еРЛУпе +ец1пеЕг

I

(О

б

о - М-70 Д -М-70К

1 Фпл N '—

о 1 § я СИ 11

/< \\ \ V

к О 1 / \\ \ V

й1 // \ь.

1 1 / * ' \ у \

• 1 <я \ \\

1 1 'X я X \\

1 1 0 & Т£д

25

А/м2

20 15 10 5 Длина канала - Ь*, мм.

13 12 11 10

9 8 7 6 5

Пех10-|7,м-5

160

140

120

100

80

та о _с- 1 Й о X а жж ш Жх»< о - М-70 Л - М-70К

г-1 5

Й о К

5 // \

// / " "ЧТ'

/ / г

/ Л

/ А/ а •х

У &

*

1.6

1,4

1,2

25 20 15 10 5 Длина канала - Ь*, мм.

Рис. 3. Распределения локальных параметров плазмы по длине канала.

где Вг - радиальная составляющая индукции магнитного поля; ре и п, - соответственно, давление и концентрация электронов; - плотность азимутального тока электронов; Di и pi - соответственно, коэффициенты диффузии и подвижности электронов поперек магнитного поля.

Так как в прианодной области индукция магнитного поля мала, то, как следует из (1), преобладающее воздействие на характер распределения потенциала оказывает градиент электронного давления. Можно выделить два способа воздействия на распределение Vpe=Ape/AZ :

- изменение характерного размера прианоднон области Ln. ~ Лх, рассмотренное выше;

- изменение объема канала в различных сечениях и распределений pc(z) и Vpe(z), соответственно.

Увеличение объема канала у анода приведет к снижению концентрации пе, давления ре и повышению перепада Дре по длине канала. Поскольку знаки напряженностей электрического поля, возникающие за счет градиента электронного давления и азимутального тока в прианоднон области противоположны, то при увеличении Vpe должно произойти сужение зоны ускорения (ТЕ® > 0). Увеличение ширины канала в прианоднон области Ьп. должно снизить влияние радиальной составляющей напряженности электрического поля на расходимость ионного пучка.

Так как в прианодной области магнитные силовые линии имеют значительную кривизну (рис.4), то механизм переноса электронов на стенки, очевидно, имеет такой же характер, что и на анод, а именно, поперек магнитного поля. С учетом того, что для каждой точки диэлектрической стенки должно выполняться условие равенства ионного и электронного потоков, выражение (2) примет вид

eDx Vnec т+ец1пеЕст= Jifit (3)

где jî.ct - плотность ионного тока на стенку, Ест и Vne^r - напряженность электрического поля и градиент концентрации электронов в направлении- стенки. Как следует из (3), влияние стенок канала на формирование электрического поля много сильнее влияния положения анода, так как ji,CT<< jP (ji,cr «100 A /M^jp »1000 А /м2). Уменьшение градиента концентрации электронов - Vne^ieAn/Ar, в результате увеличения характерного размера bn. -Дг, должно уменьшить напряженность электрического поля Ест и улучшить фокусировку формируемого ионного потока. •

Эксперименты, проведенные на лабораторных моделях УЗДП типа М-70 и М-50, показали, что расширение прианодной части канала позволяет улучшить тяговые характеристики ускорителей (тяговый

хУ^хУх^

Рис.4. Конфигурация магнитных силовых линии и качественная структура электронных потоков в канале модели М-70.

1,25 1,5 1,75

Расход РТ (Хе), мг/с

Рис.5. Тяговые характеристики УЗДП традиционно!! схемы (М-50) и с расширенной прианодной частью канала (М-50П А) при ^=300 Вт.

к.п.д., цена тяги) на 7... 10 %. Исследования параметров ионного пучка подтвердили, что повышение тяговых характеристик ускорителя определяется улучшением фокусировки и снижением расходимости пучка на 10.. 15°. Важным результатом является повышение тяговых характеристик (на -10%) УЗДП с расширенной прианодной областью канала (М-50ПА) в диапазоне разрядной мощности <. 300 Вт (рис.5) до уровня традиционных УЗДП (пт~0,5).

В четвертой главе рассмотрены процессы в зоне ускорения УЗДП. Дан анализ влияния процессов на стенках канала на формирование продольного электрического поля (Ег) и предложены способы дальнейшего сокращения протяженности ускоряющего слоя и повышения эффективности ускорителя.

Аппроксимация характерного для УЗДП распределения продольного электрического поля позволяет сделать вывод, что распределение объемного заряда должно иметь вид, представленный на рис. 6 -так называемый, "двойной" слой. Для оценки объемного заряда в ЗУ можно воспользоваться следующим простым соотношением

4еои„

с

где р - некомпенсированный объемный заряд, е0- диэлектрическая постоянная, иР - напряжение разряда, Ьс - протяженность зоны основного падения потенциала.

Для характерных условий УЗДП иР=300 В и Ц—10..Л 2 мм (рис.3) величина нескомпенсированного объемного заряда может составить р= 1,6x104 Кл/м3, разница в концентрации электронной и ионной компонент (п* -Пе)=1015 м-3. Это составляет ~1% от уровня концентрации плазмы в слое ускорения, т.е. даже незначительное изменение условий взаимодействия заряженных частиц плазмы со стенками канала и, соответственно, изменение величины нескомпенсированного объемного заряда в ЗУ должно привести к заметной перестройке процессов формирования электрического поля в УЗДП. Как следует из качественной картины распределения объемного заряда (рис.6), для уменьшения протяженности ЗУ необходимо создать условия для увеличения отрицательного объемного заряда в катодной части двойного слоя, и положительного - со стороны анода.

Рассмотрим взаимодействие электронной компоненты плазмы со стенкой в катодной части двойного слоя. В качестве основного параметра, определяющего характер данного взаимодействия, примем относительную величину пристеночного скачка потенциала, получаемую из условия равенства ионного и электронного потоков на стенку

Рис. 6. Схема распределения потенциала, напряженности электрического поля и объемного заряда по длине канала УЗДП.

где .¡..«л - плотность ионного тока на стенку, _)ю=епеУг /4 - плотность электронного тока в нсвозмущенной плазме, Те - температура электронов, к - постоянная Больцмана, е - заряд электрона, а - коэффициент вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ).

Механизм влияния параметров этого взаимодействия на протяженность ускоряющего слоя Ьс можно показать, рассмотрев уравнение непрерывности для электронного тока, с учетом процессов обмена со стенкой

^ = епсу, + <-^р(-Л^'(<у-1)>, (6)

Аъ Ьк

где Пе - концентрация электронов, VI - частота ионизации, К - ширина канала. Так как протяженность слоя ускорения и ионизации есть расстояние, на котором электронный ток возрастает до величины тока разряда, то условием сужения Ье является увеличение правой части выражения (6). Принимая, что о < 1 и не зависит от энергии падающих электронов, можно выделить следующие направления воздействия на электронную компоненту с целью уменьшения

- увеличение ширины ускорительного канала Ьг;

- управление величиной пристеночного схачка потенциала ДФСТ.

Так как возможность увеличения ширины канала в УЗДП ограничена требованием обеспечения ресурса, то более перспективным представляется второе направление.

Однако, анализ процессов взаимодействия электронов со стенкой показывает, что существует ограничение максимальной напряженности электрического поля и, соответственно, минимальной протяженности ускоряющего слоя, определяемое вторичными эмиссионными процессами. С повышением напряженности электрического поля, очевидно, будет иметь место более интенсивный разогрев электронной компоненты, средняя энергия которой будет ограничена величиной энергии первого порога размножения £г\ материала стенки канала. При этом коэффициент ВЭЭ а-*1, соответственно, ДФ<л->0 (см. выражение (5)) и электронный ток на стенку будет равным току насыщения 3«,. Затраты энергии, связанные с охлаждением электронов на стенке при этих условиях, могут достигать 10% и более от мощности разряда, что возможно является одной из причин насыщения роста тяговых характеристик УЗДП при высоких разрядных напряжениях иР>300 В. Критическую напряженность электрического поля можно оценить следующим образом

где т, - масса электрона. Для УЗДП с дшлсмричсским каналом (¿V|=20...30 эВ) Е*р и 40x10 3 В/м, при В, = 0,02 Тл. Таким оГ»рачом. можно сделать выаод, что перспективным мнляося перелод к м;ис-рналам с высокими значениями £Р|, в частости, к проводящим для которых £Р|>100эВ.

Анализ условий формирования продольного электрического поля и распределения ДФст показал, что схема У'ЗДП с проводящим каналом обладает рядом существенных недостатков. Так, на большей части длины канала электроны "заперты" высоким значением пристеночного скачка потенциала ДФст, что ухудшает условия формирования положительного объемного заряда в анодной части двойною слоя. Уменьшение положительного объемного заряда в данной области приводит к увеличению протяженности анодной части двойного слоя и зоны основного падения потенциала в целом. Другими недостатками этой схемы являются шунтирование слоев плазмы с различными потенциалами, большая тепловая мощность, уносимая ионами из плазмы и выделяемая на стенках канала, и интенсивное распыление материала стенок вследствие высокого значения ДФст.

Оптимизация пристеночных процессов возможна при переходе к схеме УЗДП с многосекционным проводящим каналом -УЗДП МК (рис.7). Укажем на основные потенциальные преимущества схемы УЗДП МК:

- возможность управления распределениями потенциала стенки Фет и, 'соответственно, ДФст по длине канала (рис. 7);

-снижение сквозного электронного тока за счет уменьшения доли тока шунтирования проводящими стенками канала;

- изготовление ускорительного канала из проводящих материалов позволит снизить влияние вторичных эмиссионных процессов.

К недостаткам схемы УЗДП МК можно отнести усложнение конструкции по сравнению с ускорителями традиционной схемы, возможность проникновения плазмы в межэлектродные щели и др.

Выводы теоретического анализа влияния пристеночных явлений в зоне ускорения на параметры ускорителя, в целом, были подтверждены результатами проведенных экспериментальных работ. Так, исследование влияния ширины ускорительного канала на тяговые характеристики УЗДП, проведенное на ускорителях двух типоразмеров (М-70 и М-50) при неизменной геометрии магнитной системы, показало, что при увеличении ширины канала на 15...20% имеет место повышение тяговой эффективности ускорителя на 7...10%, т.е. необ-

холимо стремиться к выполнению максимально широких каналов при условии обеспечения требуемого ресурса работы.

Зондовые измерения, проведенные на модели М-70 с проводящими вставками в выходной части диэлектрического канала, показали, что потери из-за шунтирования слоев плазмы могут составлять до 10 "/•> от мощности разряда, а также трудности обеспечения длительного ресурса работы для ускорителей данной схемы. Вместе с тем, полученные результаты свидетельствуют о возможности существенного повышения эффективности УЗДП при переходе к схеме с многосекционным проводящим каналом.

На базе лабораторной модели М-70 была разработана экспериментальная модель ускорителя с двухсекционным проводящим каналом. Экспериментальные исследования позволили определить положения анода и проводящих секций относительно распределения магнитного поля по длине канала, при которых тяговые характеристики ускорителя максимальны (рис.8). В частности, оптимальными являются положения анода в зоне с Вг^0,ЗВгЛи, торцев прианодной секции и проводящей секции на выходе, соответственно, в зонах с Вг S

0.6Вг,шм и Вг« 0,98B[.mu. Установлено, что оптимальной является схема, в которой проводящие секции находятся под "плавающим" потенциалом, при этом потенциалами секций можно управлять, изменяя их положение относительно распределения магнитного поля по длине канала.

Таким образом, результаты исследования модели М-70МК подтвердили принципиальную возможность создания ускорителей таких схем с достаточно высокими тяговыми характеристиками (т)т ~ 0,6), а также позволили сформулировать рекомендации для проектирования подобных ускорителей и исходные данные для дальнейших работ в этом направлении с целью создания перспективных моделей УЗДП с большим числом проводящих секций ускорительного канала.

ВЫВОДЫ:

1. На основании анализа пристеночных процессов в зоне ускорения предложена схема УЗДП с многосекционным проводящим каналом, которая позволяет оптимизировать условия взаимодействия плазмы со стенками и формирование распределения объемного заряда и ускоряющего электрического поля по длине канала. В частности, разработана. модель УЗДП с 2х-секционным проводящим каналом. Подтверждена принципиальная возможность создания ускорителей данной схемы с достаточно высокими тяговыми характеристиками (г|т -0,6). Сформулированы рекомендации по проектированию ускорителей данного типа и исходные данные для разработки перспективных моделей с большим числом проводящих секций.

24 5 22

н 03

к 20 н

и

£18 «

н

к о

3

14

10

Рис. 7. Схема распределения потенциалов в УЗДП МК.

0,7

__О-1 1

кпд 1 -1__- -

£ 1,

1 и

Ст

__1

1Г- -

О ш: п т: =2,26 мг/с =3,02 мг/с

0,6

с х

0,4 1

са о

0,2 0,1 0

120 160 200 240 280 Напряжение разряда Ур, В

320

Рис.8. Тяговые характеристики модели М-70МК.

2. Проведенный комплекс исследований влияния изменения конфигурации диэлектрического ускорительного канала в традиционных моделях УЗДП позволил существенно улучшить основные параметры ускорителей:

- расширение прианоднон части канала дает повышение тяговых характеристик на 7... 10%, улучшение фокусировки и снижение расходимости ионного пучка на 10... 15°, и возможность увеличения ресурса в 1,5...2 раза;

- увеличение общей ширины канала позволяет повысить тяговые характеристики УЗДП на -10%, т.е. целесообразно выполнение максимально широких каналов при условии обеспечения требуемого ресурса ускорителя.

3. Показано, чго в УЗДП максимально достижимая напряженность ускоряющего электрического поля и, соответственно, протяженность зоны ускорения, ограничены критической величиной напряженности электрического поля, определяемой энергией электронов в самосогласованном поле и эмиссионными свойствами материала стенок ускорительного канала

4. Продемонстрировано, что на этапе разработки ускорителя (двигателя) при выборе основных параметров конструкции и режима работы (градиент индукции магнитного поля VBr(z), величина разрядного напряжения UP, плотность расхода и вид РТ) необходимо учитывать, чтобы прогнозируемые значения средней энергии электронов в зоне ускорения не превосходили величину энергии первого порога размножения для материала стенок канала £ri.

5. Предложена схема УЗДП с навесной магнитной системой, позволяющая уменьшить расходимость ионного пучка на ~20%. При работе данной схемы изменение структуры магнитного поля за срезом ускорителя практически не оказывает влияния на интегральные параметры его рабочего режима.

По теме диссертации опубликована следующая работа: AJakupov, S.IChartov, L.Latyshev (MAI). The possibility of nearanode process controlling for perspective SPT models / Paper for 24th International Electric Propalsion Conference, 1EPC-95-48, Moscow, Russia September 19-23, 1995, pp.1-10.