0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электроракетный двигатель принцип работы и устройство

Принцип работы и устройство реактивного двигателя

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

Наблюдения, описанные выше, получили точные научные объяснения, были отображены в физических законах:

  • закон сохранения импульса;
  • третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

  • компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
  • камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
  • турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
  • сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

Синхронные реактивные двигатели (СРД)

Введение

Появление электрического двигателя во многом способствовало развитию промышленности и улучшению качества жизни населения. В рамках второй промышленной революции произошла популяризация всех видов электрических машин, и теперь для многих создается впечатление, что эти устройства всегда находились на службе у человечества. На сегодняшний день известно множество разновидностей электрических двигателей, от широко известных двигателей постоянного тока (ДПТ), асинхронных двигателей (АД), синхронных двигателей (СД) до шаговых двигателей (ШД). Несмотря на глобальные различные, все они выполняют одну функцию – являются электромеханическими преобразователями, то есть конвертируют электрическую энергию в механическую.

А теперь представьте себе электрический двигатель с максимально простой конструкцией ротора. Это сделать довольно-таки сложно из-за сложившихся стереотипов о функционировании электрической машины, но именно так можно вкратце описать набирающие популярность Синхронные Реактивные Двигатели (с англ. Synchronous Reluctance Machine, СРД). В последнее время на эти электрические машины все больше обращают внимание производители двигателей, а также инжиниринговые компании по всему миру, и не случайно. Давайте разберемся, что же из себя представляют СРД.

Синхронный Реактивный Электродвигатель – синхронная машина, вращающий момент которой обусловлен неравенством магнитных проводимостей по поперечной и продольной осям ротора, не имеющего обмоток возбуждения или постоянных магнитов – такое определение дает ГОСТ 27471-87.

Принцип работы синхронного реактивного двигателя

Переменный ток, проходящий по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле в воздушном зазоре электродвигателя. Крутящий момент создается когда ротор пытается установить свою наиболее магнито — проводящую ось (d-ось) с приложенным к нему полем, чтобы минимизировать сопротивление в магнитной цепи. Иными словами, вращающееся магнитное поле статора увлекает за собой ротор. Амплитуда потока статора управляется через ось d, тогда как ток, отвечающий за момент управляется через ось q. Оси приведены к статору двигателя.

В рассмотренном исполнении ротора разницы между магнитными сопротивлениями осей добиваются за счет увеличения воздушного зазора по оси q. Амплитуда момента прямо пропорциональна разнице между продольной Ld и поперечной Lq индуктивностями. Следовательно, чем больше разница, тем больше создаваемый момент. Математически это можно выразить с некоторыми допущениями, рассмотрев формулу электромагнитного момента для синхронной явнополюсной машины без возбуждения на роторе:

Мр = [mU 2 /(2ω1 )] (1/Хq — 1/Хd ) sin 2θ,

где m=3 для трехфазного исполнения статора, ω1- угловая скорость ротора, Xq -индуктивное сопротивление по оси q ротора, Xd — индуктивное сопротивление по оси d ротора, θ-угол между полем ротора и полем статора, характеризующий степень растянутости «магнитной пружины».

Таким образом, в отличие от синхронной машины с обмоткой возбуждения, синхронная реактивная машина в классическом представлении имела меньший момент, а также невысокий коэффициент мощности и коэффициент полезного действия (КПД). Объяснялось это значительным намагничивающим током статора, так как возбуждение происходит за счет реактивной составляющей тока. Пуск таких двигателей осуществлялся за счет демпфирующей короткозамкнутой обмотки, т.е. имел место асинхронный пуск синхронного двигателя. Но на сегодняшний день, СРД успешно эксплуатируются в комплекте с преобразователями частоты (ПЧ) YASKAWA GA700 и ПЧ GA500. Пуск происходит благодаря алгоритму, заложенному в ПЧ (управление током намагничивания id статора и током статора, отвечающим за момент iq), следовательно, необходимость асинхронного пуска устраняется. В итоге, коэффициент мощности и КПД у современных СРД заметно увеличился, а конструкция ротора стала максимально простой. В среднем у синхронных реактивных двигателей остается худший коэффициент мощности на 5-10% из-за принципиальных особенностей работы, но на 5- 8 % лучший КПД в сравнении с асинхронными двигателями как в номинальном режиме, так и при работе на всем диапазоне скоростей при регулировании скорости вниз от номинала.

Наибольший интерес у разработчиков систем электропривода вызвала конструкция СРД. Статор реактивного двигателя бывает с распределенной и сосредоточенной обмоткой. То есть, статор двигателя идентичен статору широко используемого асинхронного двигателя.

Читать еще:  Газотурбинный двигатель самолета из чего состоит

Особенно интересен ротор, который представляет собой вал с болванкой из шихтованной стали. На роторе отсутствуют обмотки, а также постоянные магниты.
Выделяют три основных типа ротора реактивного двигателя: ротор с явно выраженными полюсами, аксиально-расслоенный ротор и поперечно-расслоенный ротор.

а) Ротор с явно выраженными полюсами

б) Аксиально-расслоенный ротор

в) Поперечно-расслоенный ротор

Отличительная особенность синхронных реактивных двигате­лей (СРД) — отсутствие в них возбуждения со стороны ротора. Основной магнитный поток в этом двигателе создается исключительно за счет вращающейся МДС обмотки статора.

Так как, СРД – синхронная машина, то его механическая характеристика в разомкнутой системе будет абсолютно жесткой.


Достоинства и недостатки синхронного реактивного двигателя:

Преимущества СРД:

1. Простота и надежность ротора, состоящего из тонколистовой электротехнической стали, без магнитов и короткозамкнутой обмотки;

2. Низкий нагрев. Так как в роторе нет обмоток, поэтому через него не протекает активный ток с выделением тепла. Это положительно сказывается на сроке жизни подшипников, а также на коэффициенте полезного действия системы. Так как снижаются потери на нагрев, то номинальный ток двигателя может быть завышен, что позволяет получить (при аналогичной мощности) более высокий момент (на 20-40%), чем у асинхронного двигателя.

3. Отсутствие магнитов. Из-за этого снижается конечная цена двигателя, так как при производстве не используются редкоземельные элементы.

4. Низкий момент инерции ротора. Так как ротор представляет собой болванку без магнитов и обмоток, которые увеличивают этот показатель в асинхронных двигателях и двигателях с постоянными магнитами. Соответственно, уменьшается типоразмер двигателей. Из чего вытекает следующее преимущество.

5. Меньшие габариты при той же мощности в сравнении с АД.

6. Высокий КПД и cosφ (косинус фи). При работе от сети, а такие двигатели в старых системах работали от сети и снабжались дополнительной пусковой обмоткой на роторе, СРД демонстрировали не лучшие энергетические показатели, но применяя специализированный преобразователь частоты, например, YASKAWA GA700 и GA500, разработанный для работы с синхронными реактивными двигателями, картина в корне меняется. В таких преобразователях происходит разделение между сетью и питающим напряжением двигателя, а программное обеспечение позволяет корректировать выходной ток, создавая наиболее благоприятные условия работы двигателя (в GA700 режим EZOLV). Таким образом СРД оставляет за собой все преимущества, описанные выше, избегая недостатков возникавших ранее при работе от сети. Если все – таки происходит снижение коэффициента мощности, это может означать, что для данного применения должен быть выбран преобразователь на больший номинальный ток.

7. Абсолютно жесткая механическая характеристика в разомкнутой системе. Это говорит о том, что двигатель способен поддерживать скорость на заданном уровне с большой точностью, до тех пор, пока момент не превысит максимальное значение.

Недостатки СРД:

1. Пуск и работа СРД возможны только от преобразователя частоты. Бездатчиковая система управления отслеживания положения ротора является необходимым условием работы синхронного реактивного двигателя. Преобразователь в каждый момент времени отслеживает потребляемый ток двигателя, так как при повороте вала изменяется магнитное сопротивление в зазоре, и формирует магнитное поле в соответствии с этим изменением, добиваясь высокой производительности.

2. Низкий коэффициент мощности при работе с ослаблением поля. СРД демонстрируют лучшие энергетические показатели при работе в зоне насыщения. При выходе на повышенную скорость, необходимо уменьшить ток намагничивания машины id, в результате чего, заметно упадет момент двигателя, а коэффициент мощности резко снизится в следствие потребления большего реактивного тока. Поэтому для применений в которых осуществляется работа на повышенных скоростях такие двигатели лучше не использовать.

Заключение:

Синхронные реактивные двигатели являются перспективным направлением для интеграции в новые системы и для модернизации старых систем электропривода. Больший КПД на всем диапазоне скоростей в сравнении с СДПМ и АД способствует в пользу выбора этого двигателя при разработке новых систем, соответствующих международному стандарту энергоэффективности IE4. Простота конструкции ротора и проверенная технология изготовления статора позволяют такому двигателю легко найти свое применение в насосных агрегатах и вентиляторах, а также в применениях с постоянным моментом и регулированием скорости вниз от номинала. Единственной проблемой такого двигателя является потребление большего реактивного тока в сравнении с асинхронными двигателями, но при использовании частотного преобразователя YASKAWA GA700 и GA500 этот недостаток легко устраняется.

Ракетные двигатели

Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.

Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.

Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

Виды химических двигателей

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.

Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.

Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.

В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения

Достоинствами твердотопливных РД являются:
  • простота конструкции;
  • сравнительная безопасность в плане экологии;
  • невысокая цена;
  • надежность.
Недостатки РДТТ:
  • ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
  • невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
  • небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.

Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).

Читать еще:  Асинхронный двигатель 1450 оборотов
Достоинства жидкостных РД:
  • высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
  • возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
  • меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.
Недостатки ЖРД:
  • сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
  • в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.

Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.

Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.

История создания

Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.

Устройство и принцип работы

Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.

Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.

Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.

Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.

Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования

Среди преимуществ ЭРД:
  • высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
  • малый расход топлива (рабочего тела).
Недостатки:
  • высокий уровень потребления электроэнергии;
  • сложность конструкции;
  • небольшая тяга.

На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.

Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 131-139

Исследование катода-нейтрализатора с геликонным разрядом

В. В. Кожевников 1, * , П. Е. Смирнов 1 , С. А. Хартов 1

1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Москва, Россия

Поступила в редакцию 13.05.2019
После доработки 20.05.2019
Принята к публикации 24.05.2019

Полые катоды уже много лет демонстрируют эффективную и качественную работу в качестве источников электронов для различных типов электроракетных двигателей в составе двигательных установок космических аппаратов. Однако, они же являются одним из элементов двигательной установки, ограничивающим ее ресурс, а кроме того обладают рядом проблем, связанных с потерей их эффективности при взаимодействии с химически активными газами, присутствующими в рабочем теле и окружающей аппарат остаточной атмосфере. В настоящее время было предпринято несколько разработок, нацеленных на избавление от этих ограничений, таких как переход к “безкатодным” двигательным установкам, а также создание катодов с разрядом безэлектродной схемы. В предыдущих работах авторы представили конструкцию такого катода-нейтрализатора, основанного на индуктивном высокочастотном разряде, провели изучение его вольт-амперных характеристик и эффективности. В настоящем исследовании предприняты попытки миниатюризациии данного устройства, а также повышения его эффективности за счет перехода к геликонному разряду.

Во множестве миссий космических аппаратов (КА) в настоящее время применяются, или планируются к применению электроракетные двигатели, использующие электростатический способ ускорения заряженных частиц. К таким устройствам относятся ионные двигатели (ИД), двигатели, работа которых основана на замкнутом дрейфе электронов (стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС)). Они обладают высоким удельным импульсом, а также значительным, в сравнении с другими двигателями, ресурсом работы, что позволяет применять их в миссиях дальних космических перелетов, для коррекции орбиты космических аппаратов, а кроме того прорабатываются идеи создания двигательных установок (ДУ) способных использовать в качестве рабочего тела окружающую атмосферу при полетах на низких орбитах [1–4].

Источники электронов являются неотъемлемой частью ДУ с электростатическим способом ускорения рабочего тела. Они необходимы для процессов ионизации в разряде двигателя и нейтрализации ионного пучка. Наиболее часто используемым источником электронов являются полые катоды благодаря высокой плотности генерируемого тока и низкому потреблению рабочего тела и электрической мощности [2]. Ресурс полых катодов ограничен деградацией и испарением термоэмиссионной вставки, выполненной из материалов с низкой работой выхода электрона. Вставка-эмиттер должен избегать контакта с активными газами, что вызывает повышенные требования к обращению с ним. Кроме того, большие затраты энергии идут на значительный нагрев катода внешним нагревателем перед началом его работы [4].

Читать еще:  Грохот холодного двигателя тойота

Чтобы избавиться от данных недостатков полых катодов, в настоящее время идут активные разработки ДУ и катодов, основанных на безэлектродном разряде. Так, например, в двигателе “μ10” (в составе маршевой ДУ на КА Hayabusa) для нейтрализации струи ионов вместо классического полого катода использован нейтрализатор на базе сверхвысокочастотного разряда. Кроме того, ионный двигатель, не использующий в своей работе катод, разрабатывается компанией ThrustMe по проекту “Neptune”. Однако такие устройства обладают относительно низкой эффективностью [5, 6].

В настоящем исследовании была предложена схема безэлектродного высокочастотного катода с индуктивным разрядом (ВЧК/ИР). Конструкция такого устройства очень проста и не требует электрода-кипера, нагревателя, а, следовательно, и источников постоянного тока в своей работе. Кроме того, ожидается получить высокий ресурс таких устройств благодаря использованию более устойчивых к химическим воздействиям материалов. Конструкция катода такова, что его элементы мало подвержены воздействию высокоэнергетических потоков частиц. Запуск такого катода прост и не требует предварительного термического нагрева.

В предыдущем исследовании была продемонстрирована устойчивая работа ВЧК/ИР и выявлено влияние на его характеристики некоторых конструктивных параметров, а также приведено сравнение разработанного устройства с устройствами, представленными в работах других исследовательских коллективов [7].

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Основываясь на результатах предыдущих исследований, было решено рассмотреть возможность работы катода более миниатюрной конструкции, перейдя от газоразрядной камеры диаметром 4 см к камере диаметром 2 см, а также изучить влияние типа разряда на извлекаемый электронный ток, перейдя от обычного индуктивного к геликонному разряду.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Схема высокочастотного катода представлена на рис. 1. В качестве газоразрядной камеры (ГРК) используется трубка из кварцевого стекла, закрытая с одной стороны газораспределителем, а с другой стороны сопловой пластиной, выполненными из керамики Macor. Конструктивные параметры этих элементов позволяют поддерживать необходимое давление рабочего тела в разряде, а также осуществлять эмиссию электронов. Десяти-витковый медный индуктор, навитый на ГРК, при подаче на него ВЧ тока индуцирует в полости камеры переменное магнитное поле высокой частоты. Магнитное поле генерирует вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны, которые при соударении с атомами рабочего тела ионизируют их. Для запуска катода нужны первичные электроны. Внутри камеры вдоль ее стенок расположен коллектор ионов из нержавеющей стали, необходимый для поддержания квазинейтральности плазмы. Коллектор имеет разрез, параллельный оси катода, что позволяет снизить потери ВЧ мощности на наведении в нем вихревых токов. Под действием потенциала ионного пучка за срезом сопла катода электроны покидают газоразрядную камеру. Ионы с эквивалентным разрядом выпадают на поверхность коллектора, где нейтрализуются, а также, вылетая за пределы ГРК, совместно с ионным пучком двигателя создают зону повышенной проводимости (т.н. “плазменный мост”). На внешней части катода предусмотрены установочные места для обоймы с постоянными магнитами, позволяющими перейти от обычного индуктивного разряда к геликонному.

Рис. 1.

Конструктивная схема катода.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследования проводились на экспериментальном стенде института плазменной технологии и основ электротехники (EIT1.1) университета вооруженных сил Мюнхена (рис. 2). Стенд включает в себя вакуумную камеру объемом 0.15 м 3 , трехступенчатая откачная система которого имеет суммарную производительность 6500 л/с, что обеспечивает динамический вакуум на уровне 10 –6 мбар при объемном расходе рабочего тела 3 ст.см 3 /мин (sccm).

Рис. 2.

Экспериментальный стенд института EIT 1.1.

Исследуемая лабораторная модель высокочастотного катода имела диаметр сопла 4 мм и площадь собирающей поверхности коллектора – 1800 мм 2 . В качестве рабочего тела использовался ксенон.

Схема эксперимента изображена на рис. 3. Индуктор катода был запитан от ВЧ генератора, спроектированного для работы с устройством такой конструкции. Рабочая частота генератора составляла 3 МГц. Источник постоянного тока создавал разность потенциалов между коллектором катода и мишенью, симулирующей ионный пучок двигателя. Мишень располагалась напротив катода на расстоянии 50 мм. Все системы кроме источника постоянного тока были смонтированы вне вакуумной камеры.

Рис. 3.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГЕЛИКОННОГО РАЗРЯДА

Для реализации режима геликонного разряда, характеризующегося эффективным вкладом ВЧ мощности в плазму, необходимое соотношение рабочей частоты и индукции внешнего магнитного поля рассчитывались исходя из представленных ниже соотношений [4, 8]:

где ωce – циклотронная электронная частота, ωci – циклотронная ионная частота, ωp – плазменная частота, а ωНГ – нижняя гибридная частота. ω – частота геликонного разряда.

где e – заряд электрона, me – масса электрона, B – величина индукции магнитного поля.

где mi – масса электрона

где ε – электрическая постоянная, ne – концентрация электронов.

ЦЕНА ЭЛЕКТРОНА И КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Важными параметрами для оценки эффективности работы катода являются цена электрона и коэффициент использования рабочего тела. Коэффициент использования рабочего тела учитывает затраты массы рабочего тела на получение единицы электронного тока. Иными словами, он показывает среднее количество поочередных циклов ионизации в разряде, рекомбинации на поверхности коллектора и возвращения в разряд для повторной ионизации для каждого отдельного атома рабочего тела. Он может быть выражен через отношение электронного тока к массовому расходу рабочего тела, пересчитанному в эквивалентные амперы:

Цена электрона определяет мощность, затраченную на создание единицы электронного тока, и определяется формулой:

где U – напряжение между коллектором и мишенью [В], P – подведенная ВЧ мощность [Вт], I – сила электронного тока [А].

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Работа катода с индуктивным разрядом

На рис. 4 представлены вольт-амперные характеристики, полученные при работе катода с индуктивным разрядом. Мощность ВЧ генератора в работе составляла 50 Вт. При этом 2 см катод, так же как и 4 см, демонстрировал малый ток на напряжениях до

25 В для различных расходов. Далее кривая, так же как и в предыдущих исследованиях, делает скачок до 0.78 А на расходе 7 sccm [7]. Несмотря на уменьшение объема ГРК в 8 раз, а коллектора в 2.5 раза, достигнутый электронный ток на тех же параметрах имеет значения сопоставимые с величинами тока в 4 см конструкции.

Рис. 4.

Вольт-амперные характеристики индуктивного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

На рис. 5 представлены характеристики эффективности исследуемого катода. Эти кривые цены электрона в зависимости от коэффициента газовой эффективности также имеют форму характерную ранним исследованиям [7]. Как видно из графика, 2 см катод также сравним по характеристикам с лабораторным образцом большего размера.

Рис. 5.

Характеристика зависимости коэффициента использования рабочего тела от цены электрона индуктивного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

Работа катода с геликонным разрядом.

Для работы катода с геликонным разрядом в конструкции была установлена обойма постоянных магнитов. Значение магнитной индукции в центре камеры, замеренное теслометром, составляло 0.6 мТл, что удовлетворяет, приведенным выше, условиям существования геликонного разряда.

На рис. 6 представлена вольт-амперная характеристика полученная при работе катода в таком режиме. При мощности ВЧ генератора 50 Вт, удалось достигнуть тока 0.87 А на расходе ксенона 6 sccm. Результаты свидетельствуют о незначительном смещении значения “оптимального” расхода катода по сравнению с индуктивным разрядом, а кроме того об увеличении тока катода.

Рис. 6.

Вольт-амперные характеристики геликонного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

На рис. 7 также представлены характеристики эффективности катода в геликонном разряде, где ясно видно, что значения цены электрона и газовой эффективности улучшились, что свидетельствует о более эффективном поглощении ВЧ мощности плазмой.

Рис. 7.

Характеристика зависимости коэффициента использования рабочего тела от цены электрона геликонного катода при ВЧ мощности 50 Вт для различных расходов рабочего тела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследований разработан лабораторный образец ВЧ катода с индуктивным/геликонным разрядом. Проведены эксперименты по изучению характеристик данного образца. Нужно отметить, что ВЧ разряд в устройствах малого диаметра обладает повышенной эффективностью при работе с ВЧ генераторами большей частоты, поэтому в дальнейшем планируется провести серию дополнительных экспериментов с генераторами на других частотах. И хотя эффективность 2 см катода оказалось немного ниже, чем у 4 см, можно уже сделать некоторые выводы о возможностях масштабируемости устройства.

Использование геликонного разряда ожидаемо дало прирост эффективности работы катода, однако необходимо помнить, что масса используемой магнитной системы весьма существенна по сравнению с общей массой устройства.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector