Исследование влияния внешнего магнитного поля на величину тяги высоковольтного наносекундного импульсного плазменного двигателя

Создание электрических ракетных двигателей (ЭРД) и двигательных установок на их основе (ЭРДУ), а также постоянное совершенствование уже созданных ЭРД и ЭРДУ для применения в различных по массе космических аппаратах является актуальной задачей современного этапа развития космических систем.

В настоящее время признанным лидером среди ЭРД средней и малой тяги является стационарный плазменный двигатель (СПД) [1]. Несмотря на то, что СПД занимают устойчивое положение в классе плазменных двигателей, во многих странах активно ведутся исследования импульсных плазменных двигателей (ИПД) [2]. Интерес к ИПД продиктован тем, что они отличаются простотой конструкции и практическим отсутствием переходных режимов. ИПД наиболее перспективны для использования в системах управления малыми космическими аппаратами [3], где они могут успешно конкурировать с СПД, поскольку при небольших значениях тяги и кратковременном режиме работы эффективность традиционных СПД снижается [4].

Для улучшения эксплуатационных характеристик ИПД предлагаются различные способы, среди которых следующие:

• •    повышение используемого напряжения с 10 до 100 кВ с одновременным укорочением длительности импульса [2];

• •    использование жидкого рабочего тела [5];

• •    наложение магнитного поля на область разряда и др.

НИИМаш (г. Нижняя Салда) и ИЭФ УрО РАН (г. Екатеринбург) в течение последних лет исследуют ИПД на основе анодно-инициированного разряда под действием импульса высокого напряжения наносекундной длительности [6]. Процесс разряда этого типа обусловлен лавинообразно развивающейся полевой эмиссией электронов из поверхности диэлектрика, распространяющейся от анода к катоду. Расход массы рабочего тела на создание плазменного пучка при этом составляет ~1 мкг/Дж, что в три раза больше, чем у катодно-инициированного разряда [7]. В таком ЭРД скорость истечения плазмы превышает 50 км/с.

Задача настоящей работы заключалась в исследовании влияния внешнего магнитного поля, ориентированного вдоль тока разряда, на импульс тяги лабораторного макета высоковольтного наносекундного ИПД с жидким рабочим телом. Исследование проведено в рамках работы совместной проблемной лаборатории ИЭФ УрО РАН и НИИМаш.

экспериментальная установка

Эксперименты с макетом ИПД выполнялись в вакуумной камере объемом 0,4 м3 при динамическом вакууме ~10–4 мм рт. ст. Источником напряжения для макета ИПД служил наносекундный генератор импульсов напряжения амплитудой 250 кВ длительностью 60 нс с магнитным накопителем энергии, разработанный ИЭФ УрО РАН. Энергозапас генератора в выходном каскаде составляет 1 Дж, частота подачи импульсов достигает 50 Гц.

Разрядная камера [8] содержит электродную систему, подложку из радиотехнического фарфора и магнитную систему (рис. 1). Электроды 1 изготовлены из магнитомягкой стали и имеют заостренную форму. Под ними расположены пористые фитили, начальный участок которых контактирует с резервуаром, заполненным вакуумным маслом. Подложка 3 совершает возвратно-поступательное движение, в результате которого поверхность смазывается жидкостью. Подача масла осуществляется капиллярно-центробежным способом. Длина межэлектродного промежутка составляет 30 мм. Магнитная система расположена на 20 мм выше поверхности разряда, ее схема приведена на рис. 2. Она содержит четыре цилиндрических постоянных магнита 2 высотой 7 и диаметром 10 мм. Остаточная индукция магнитов составляет 0,24 Тл. Магниты включены в два плеча магнитопровода попарно, так что результирующее поле ориентировано преимущественно вдоль разрядного промежутка. Параллельные разрядному промежутку части магнитопровода 4 выполнены из феррита марки 3000НМ для обеспечения электрической изоляции между электродами. При достаточной компактности и малой массе данная конструкция обеспечивает индукцию магнитного поля порядка 0,01 Тл, при которой достигается заметное влияние на процесс разряда, однако в ней затруднительно проводить исследования в широком диапазоне магнитных полей.

Рис. 1. Общий вид разрядной камеры макета импульсного плазменного двигателя: 1 — электроды, 2 — магниты; 3 — подложка; 4 — магнитопровод

Рис. 2. Схема магнитной системы: 1 — электроды; 2 — постоянные магниты; 3 — стальные стержни; 4 — ферритовые стержни