Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 21
1.1 Общие сведения о высокочастотном разряде 21
1.2 Физические свойства емкостного высокочастотного разряда 22
1.3 Применение емкостного ВЧ разряда для получения ускоренного потока ионов 30
1.4 Электрореактивные двигатели: основные параметры и классификация 32
1.5 Краткая история ЭРД. Современное положение дел и перспективы развития отрасли 36
1.6 Стационарный плазменный двигатель 46
1.7 Постановка задач 54
2 Численное моделирование 56
2.1 Вступление 56
2.2 Численная модель 57
2.3 Результаты моделирования 62
2.4 Итоги моделирования
3 Методика и схема эксперимента 77
4 Результаты эксперимента
4.1 Общий вид разряда. Вложение мощности, ВАХ и эквивалентное сопротивление 94
4.2 Результаты измерений параметров плазмы 99
4.3 Результаты исследования ионного потока 103
Заключение 114
Список цитированной литературы 117
Список публикаций по теме диссертации
- Физические свойства емкостного высокочастотного разряда
- Краткая история ЭРД. Современное положение дел и перспективы развития отрасли
- Результаты моделирования
- Результаты измерений параметров плазмы
Физические свойства емкостного высокочастотного разряда
Наконец, для исследования энергетических распределений выходящих из разрядного канала ионов применялся четырёхсеточный энергоанализатор, установленный в вакуумной камере напротив лабораторного источника на расстоянии 30 см от его среза. Первая сетка, через которую проходили попадающие в энергоанализатор частицы, была заземлена, вторая и четвёртая находились под отрицательным напряжением (около -25 В) для удаления электронов из межсеточного пространства и подавления тока ион-электронной эмиссии с коллектора. Снимались зависимости коллекторного тока энергоанализатора от отталкивающего ионы положительного напряжения на третьей сетке - так называемые кривые задержки, из производной которых получались распределения попадающих в энергоанализатор ионов по продольной компоненте их энергии. Анализ концентрации ионного потока производился исходя из разницы токов на верхнюю (ориентированную в сторону лабораторного источника) и нижнюю поверхности плоского направленного зонда, установленного рядом с энергоанализатором.
Четвёртая глава охватывает результаты эксперимента. Нижней границей диапазона существования разряда при магнитных полях 200 Гс и больше выступали значения мощности в 70 Вт и расхода рабочего газа в 10 мл/мин. При снижении магнитного поля эти величины росли, и с магнитным полем в 50 Гс при расходе 10 мл/мин разряд гас уже на мощностях ниже 170 Вт. Было отмечено, что наличие и положение кольца из медной проволоки, игравшего роль заземлённого электрода, не оказывало заметного влияния на внешний вид разряда и его вольт-амперную характеристику. То есть, фактически, во всех экспериментах заземлённым электродом выступал металлический корпус-магнитопровод лабораторного источника плазмы и стенки вакуумной камеры, что, вероятно, объясняется их гораздо большей по сравнению с медным кольцом площадью и, следовательно, большей ёмкостью соответствующего слоя.
В зависимости от величины магнитного поля В разряд либо был лока лизован в районе среза канала лабораторного источника (В 100 Гс), либо заполнял всю вакуумную камеру (В 40 Гс). Напряжение на активном электроде имело синусоидальный вид и осциллировало на основной частоте (13,56 МГц), в то время как разрядный ток помимо основной имел ярко выраженные вторую и третью гармоники. Полученные вольт-амперные характеристики имели линейный вид с характерными величинами амплитуд ВЧ напряжения и тока в 350 В и 1,7 А соответственно. Причём напряжение слабо росло с разрядной мощностью, меняясь лишь на 50 В при увеличении мощности со 100 до 300 Вт, в то время как амплитуда тока в этом же диапазоне мощностей получала приращение в 0,5 А. Помимо этого, увеличение магнитного поля влекло за собой (при неизменных мощности и расходе рабочего газа) уменьшение амплитуды разрядного напряжения - в среднем, на 30 В за каждые 100 Гс прироста магнитного поля. При одинаковых разрядных мощностях амплитуды ВЧ-напряжения в разрядах с аргоном и воздухом в качестве рабочих газов были соответственно на 50 и 100 В больше амплитуд, характерных для разрядов в киптоне. Во всём охваченном экспериментом диапазоне параметров мощность, подававшаяся с ВЧ-генератора в разрядную цепь, с точностью до погрешности соответствовала мощности, вложенной в разряд.
Действительная часть импеданса разряда практически не менялась с магнитным полем, мощностью и расходом рабочего газа, и принимала значения, близкие к 150 Ом. Подобная величина активного сопротивления разряда вкупе с малостью активного сопротивления системы согласования (единицы Ом) объясняет почти полное вложение мощности ВЧ-генератора в разряд. Мнимая часть импеданса лежала в диапазоне 150-250 Ом и падала с ростом магнитного поля и разрядной мощности, что может быть отнесено к росту плотности плазмы в разрядном канале и связянному с этим сужению приэлектродных слоев, приводящему к росту их емкостей. Это предположение согласуется с результатами математического моделирования и зондовыми измерениями концентрации плазмы в разрядном канале.
Оценки температуры электронов на выходе из разрядного канала зондо-вым методом показали, что её величина не зависит от внешних параметров разряда и в среднем составляет 10 ± 1,7 эВ. Температура электронов внутри разрядного канала, полученная спектроскопическим методом, оказалась примерно в 2 раза меньше, на уровне 4,8 ± 0,7 эВ. Аналогичное распределение температуры электронов - с большими значениями на периферии разряда и меньшими в центральных областях - было получено и в математическом моделировании.
Профиль концентрации плазмы в разрядном канале имел максимум в районе его среза и спадал в сторону активного электрода. Учитывая тот факт, что на срезе разрядного канала радиальная компонента магнитного поля также принимала своё максимальное значение, локализация разряда в этой области связана с запиранием электронов магнитным полем, что не даёт им, несмотря на большие длины свободного пробега ( 10 см), свободно покидать разрядный канал и создаёт благоприятние условия для ионизации ими нейтрального газа. Средняя по длине канала величина концентрации плазмы была около 6 10 см , а в районе среза канала она достигала 10 см . Плотность плазмы линейно росла с ростом магнитного поля и разрдной мощности.
В колебаниях ионного тока насыщения на пристеночные зонды были обнаружены низкочастотные осцилляции, спектр которых лежал в диапазоне 2-12 кГц. Амплитуда указанных колебаний имела ярко выраженную зависимость от расхода рабочего газа и величины магнитного поля, при этом слабо менялась с разрядной мощностью. Таким образом, данные осцилляции по своему характеру схожи с ионизационными волнами, свойственными стационарным плазменным двигателям.
Краткая история ЭРД. Современное положение дел и перспективы развития отрасли
Как это уже упоминалось выше, для каждой отдельно взятой космической миссии существует оптимальное значение удельного импульса ЭРД, выше которого начинается проигрыш в массе аппарата по причине увеличения габаритов энергоустановки, а ниже - проигрыш из-за увеличения количества рабочего тела, необходимого для проведения манёвров. Поэтому весь диапазон удельных импульсов от 300 с, что соответствует химическим двигателям, до значений, ограниченных предельной мощностью современных бортовых энергоустановок (так как увеличение удельного импульса влечёт за собой увеличение энергетической цены тяги), которое грубо можно оценить 15000 с, должен быть перекрыт соответствующими ЭРД, способными эти значения удельного импульса реализовать. Хотя, конечно, нельзя списывать со счетов и влияние других типичных требований к ЭРД, таких как высокий ресурс непрерывной работы, способность менять тягу и обеспечивать смещение (или поддержание) параметров орбиты космического аппарата с высокой точностью. Кроме них существуют и более специфические запросы, вдаваться в которые мы не будем. Рост списка требований к ЭРД вкупе с ростом диапазона оптимальных удельных импульсов и провоцируют расширение спектра применяемых конструкций двигателей. Так что по мере развития космической отрасли нам следует ожидать появления всё новых и новых моделей и концепций электрореактивных устройств.
На протяжении всего времени с момента вывода первого искусственного спутника Земли на орбиту в 1957 г. средняя масса запускаемых космических аппаратов неуклонно увеличивалась, как увеличивалась и мощность их бортовых энергоустановок. Проиллюстрировать это можно следующими цифрами [28,37]: масса спутников, использующих ионные или холловские двигатели, в 1990-х гг. лежала в примерном диапазоне 2 - 3,5 тонны при мощности 5-10 кВт, в то время, как в 2000 - 2013 гг. эти цифры составили 5-7 тонн и 10 - 20 кВт соответственно. Учитывая тот факт, что востребованность той или иной модели ЭРД зависит в наибольшей степени от двух факторов, а именно от эко номии массы космического корабля при использовании ЭРД и от доступности бортовой системы питания необходимой мощности, мы можем ожидать увеличения интереса к мощным ЭРД. Сейчас в разных странах ведётся разработка ЭРД повышенной мощности как уже зарекомендовавших себя типов (электродуговых, ионных, Холловских), так и новых, например сильноточных торцевых двигателей [19,28,38], двухступенчатых двигателей с анодным слоем [19] и различных модификаций ионных двигателей с высокочастотным разрядом [19,21]. Значительный потенциал также показывают коллоидные двигатели, в которых ускоряются не ионы, а микро или наноразмерные заряженные частицы [19,38].
Другим масштабным направлением развития в космической отрасли являются сверхмалые спутники. Прогресс в приборостроении открывает всё новые и новые возможности для миниатюризации оборудования, которым оснащают различные космические аппараты. По этой причине стали серьёзно рассматриваться перспективы использования аппаратов массой менее 10 кг для различных исследовательских целей, например для анализа поверхностей и атмосфер планет и их спутников [43]. В случае успеха данной концепции применение групп сверхмалых исследовательских зондов вместо современных массивных, хотя и многоцелевых аналогов, обещает серьёзную экономию финансов и материалов. Но для подобных сверхмалых аппаратов понадобились бы не менее компактные двигатели для манёвров и системы ориентации и удержания на орбите. Разработкой таких устройств уже более десятилетия занимается NASA, где сделали ставку на масштабирование ионных двигателей [43].
Незаполненной среди двигателей остаётся ниша, находящаяся между теми, что имеют высокую тягу при малом удельном импульсе (химические двигатели), и теми, что имеют малую тягу при высоком удельном импульсе (ЭРД). Подобные двигатели нашли бы своё применение там, где помимо соображений экономии рабочего тела важную роль играет время, отводящееся на требуемые манёвры. Возможные кандидатом на роль первого устройства этого класса является VASIMR - электрореактивный двигатель, в котором получаемая с по мощью высокочастотного разряда плазма нагревается на частоте электронного циклотронного резонанса, а затем выводится через магнитное сопло. Экспериментальная модель VF-200 имеет тягу в 5 Н при удельном импульсе 5000 с и потребляемой мощности 200 кВт [44]. Основное применение, которое прочат данному двигателю - быстрые экспедиции в дальний космос и транспортировка грузов между объектами на высоких и низких земных орбитах, и, возможно, на Луне.
Что же касается экспедиций в дальний космос - экспедиций, в которых ЭРД наиболее эффективны в сравнении с химическими реактивными двигателями - то на счёт них тяжело делать какие-либо прогнозы. Коммерциализация космоса не затронула подобные миссии, поэтому на сегодняшний день все они без исключений совершаются с исследовательскими целями. Это означает, что прогресс в данной области неразрывно связан со способностью и заинтересованностью государств в финансировании соответствующих научно-исследовательских направлений. Однако по крайней мере одну вещь можно сказать наверняка: полёты ко всё более и более удалённым от Земли космическим объектам повлекут за собой разработку ЭРД со всё большими значениями удельного импульса.
Результаты моделирования
Проведённый численный счёт показал, что в емкостном высокочастотном разряде с радиальным магнитным полем и внешним активным электродом формируется ускоренный поток ионов, выходящий из разрядного канала в случае его открытой геометрии. Разгоняющий ионы потенциал, локализованный в районе среза разрядного канала, составлял величину порядка 1/3 от амплитуды ВЧ-напряжения, подаваемого на активный электрод. Это говорило о целесообразности проведения экспериментальной работы для проверки результатов моделирования и получения экспериментальный данных о применимости ЕВЧР в радиальном магнитном поле с целью получения ускоренного ионного потока.
Полученные в ходе моделирования зависимости характеристик разрядной плазмы и ионного потока от входных параметров разряда (амплитуды ВЧ-напряжения, величины магнитного поля и концентрации нейтрального газа) позволили определить представляющие наибольший интерес для экспериментальной работы диапазоны этих параметров, а также получить оценки ожидаемых характеристик плазмы разряда и их распределений по разрядному каналу, необходимые для подготовки измерительного оборудования в эксперименте. Выполненное уже после экспериментальной работы моделирование ЕВЧР с радиальным магнитным полем и внутренним электродом позволило дополнительно проверить корректность использовавшейся численной модели в сравнении с полученными экспериментальными данными, чему будет уделено внимание в следующем разделе.
После того, как математическое моделирование дало положительный ответ на вопрос о возможности получения ускоренного потока ионов посредством ЕВЧР в радиальном магнитном поле, требовалось проверить результаты моделирования и получить опытные данные о параметрах разряда и создаваемого им ионного потока. Особый интерес представляло определение основных факторов, влияющих на энергию и плотность ионов в потоке, а также нахождение конфигураций разряда, максимизирующих эти характеристики.
Экспериментальная часть работы проводилась с помощью лабораторного источника ионов, созданного на основе двигателя СПД-70. Схема этого источника приведена на рис.33. Радиус внутренней стенки керамического разрядного канала составлял 2,5 см, внешней - 3,5 см, а его глубина была 3,5 см. Вблизи от газораспределителя в разрядном канале был помещён активный электрод, а в качестве заземлённого электрода выступало либо медное кольцо, расположенное вблизи среза разрядного канала, либо заземлённый металлический корпус самого источника ионов. Часть измерений проводилась с активным электродом, вынесенным за пределы разрядного канала, так, как это указано на рис.34. В отличие от СПД, где магнитные катушки включены в цепь последовательно с разрядом, в нашем эксперименте для пропускания тока через магнитную систему лабораторного источника ионов использовался внешний источник питания,
Схема лабораторного источника плазмы. Серым цветом отмечены керамические стенки разрядного канала, чёрным - активный электрод, штриховкой - элементы магни-топровода. 1 - внутренняя магнитная катушка, 2 - внешняя. На срезе разрядного канала отмечено направление силовых линий магнитного поля. Газ в канал подаётся через разорас-пределитель, расположенный позади активного электрода.
Толстой сплошной линией отмечены стенки разрядного канала, а штрихпунктирной линией - ось симметрии. позволявший регулировать величину тока в диапазоне от 0 до 5 А. Сама же геометрия катушек и магнитопроводов не претерпела значительных изменений, поэтому профиль радиальной компоненты магнитного поля вдоль разрядного канала остался таким же, как и у СПД-70.
Лабораторный источник ионов закреплялся на фланце вакуумной камеры так, что его металлический корпус был изолирован от стенок камеры. Это позволяло в случае надобности не заземлять корпус, а оставлять его под плавающим потенциалом. Вакуумная камера, куда крепился фланец с источником плазмы, имела объем порядка 1 м3 и откачивалась каскадом из форвакуумного и турбомолекулярного насосов. Давление в камере контролировалось широкодиапазонной и ионизационной лампами и во время эксперимента составляло, в зависимости от расхода рабочего газа, от 2 10-4 до 8 10-4 Тор. В качестве рабочих газов использовались аргон, криптон и атмосферный воздух.
Активный электрод при его расположении внутри разрядного канала подключался к генератору двумя способами, первый из которых (рис.35, слева) обеспечивал разомкнутость разрядной цепи по постоянному току, а второй (рис.35, справа) - замкнутость. В случае внешнего расположения активного электрода (рис.34, справа) разрядная плазма была отделена от него керамической стенкой, поэтому электрическая цепь была непрозрачной для постоянного тока при обоих вышеуказанных способах подключения, ввиду чего в эксперименте с внешним активным электродом использовался только способ подключения без дросселя (рис.35, слева).
Результаты измерений параметров плазмы
В ходе проведённых в настоящей работе зондовых и спектроскопических измерений в качестве рабочего газа использовался аргон. Во всём экспериментально исследованном диапазоне разрядных мощностей, магнитных полей и расходов рабочего газа полученные с помощью цилиндрического зонда величины электронной температуры лежали в диапазоне 9.5 — 10.8 (±2) эВ и с точностью до погрешности не зависели от внешних параметров разряда. Сделанные с использованием этого же зонда оценки концентрации были порядка 0.5 — 1.5 109 см-3. Концентрация плазмы линейно росла с ростом магнитного поля и разрядной мощности, что иллюстрируют рис.52. Напомним, что эти величины электронной температуры и концентрации относятся к области расположения цилиндрического зонда, который был помещён на расстоянии 1,5 см от среза источника плазмы вне разрядного канала. Перед тем, как перейти к вычисленным по ионным токам насыщения на плоские Линии аргона, использовавшиеся для определения электронной температуры. зонды картинам распределения концентрации плазмы собственно в разрядном канале, нужно рассмотреть использовавшиеся для этого результаты измерений электронной температуры спектроскопическим методом.
Характерный вид измеренного экспериментально спектра в районе линий 419,8 и 420,1 нм изображён на рис.53. Как и в приведённых выше результатах моделирования и зондовых измерениях, электронная температура менялась слабо (в пределах погрешности измерений) во всём исследованом диапазоне разрядных мощностей, магнитных полей и расходов рабочего газа, и составила 4.8 ± 0.9 эВ. Обратим внимание на различия в величинах электронных температур, полученных с помощью зондового метода и спектроскопии. Так как спектроскопические оценки температуры являются средними по попадающему в световод лучу, а наиболее интенсивно излучающей областью разряда являлось плазменное кольцо на срезе разрядного канала, имеет смысл соотнести спектроскопические оценки температуры с температурой электронов в этой области наиболее плотной плазмы, в отличие от зондового метода, который давал локальные значения электронной температуры в граничной области разряда. Подобная картина распределения температуры электронов, с меньшими значениями в центральных областях и большими значениями на периферии, качественно согласуется с картиной, полученной в моделировании (рис.15).
Итоговые распределения концентрации плазмы в разрядном канале, полученные из ионного тока насыщения пристеночных зондов, изображены на рис.54. Из этих графиков видно, что средняя величина концентрации была порядка 6 10 см , причём в районе среза разрядного канала находился её максимум. Как это уже упоминалось в предыдущем разделе, из-за особенностей конструкции магнитопровода разместить пристеночный зонд прямо между полюсами магнитной системы на срезе разрядного канала не удалось, поэтому о величине концентрации плазмы в зоне максимума магнитного поля можно судить только экстраполируя графики из рис.54 в точку = 0 мм, что даёт цифры 10 см . Также из приведённых графиков видно, что концентрация плазмы росла с ростом магнитного поля и мощности разряда, что согласуется с ранее полученными результатами моделирования. При этом изменение расхода рабочего газа в диапазоне 15 — 30 см /мин никак не отражалось на распределении концентрации плазмы в канале. Отметим, что указанные величины плотности плазмы соответствуют таковым в пристеночном слое разряда и могут быть в разы меньше плотностей в центре канала (если полагаться на
Также нужно упомянуть, что при рассмотрении спектра колебаний тока на пристеночные зонды в нём было обнаружено, помимо максимумов, соответствующих основной частоте (13,56 МГц) и кратным гармоникам питающего разряд ВЧ-генератора, присутствие ряда низкочастотных колебаний (2-12 кГц). Включение последовательно с зондами фильтра низких частот (частота отсечки 130 кГц), позволило получить картину этих колебаний на экране осциллографа. Их спектр, как правило, имел сложный вид и состоял из целого ряда лежащих ниже 12 кГц максимумов. Было выяснено, что амплитуда этих колебаний растёт с ростом магнитного поля и расхода рабочего газа, однако никак не меняется с разрядной мощностью (в экспериментально охваченном диапазоне 100-300 Вт). Соответствующие графики, показывающие изменение сигнала низкочастотных колебаний в зависимости от магнитного поля и расхода приведены на рис.55, рис.56. По своему характеру указанные колебания похожи на ионизационные колебания, свойственные стационарным плазменным двигателям, и получившим в западной литературе названия breathing mode и rotating spoke [117-121], хотя для однозначного вывода требуется провести дополнительное исследование распределения амплитуд и фаз этих низкочастотных колебаний по азимуту разрядного канала.