Энергетическая цена электрона (отношение расходуемой мощности к выходному электронному току) должна быть минимальной

1.  Энергетическая цена электрона (отношение расходуемой мощности к выходному электронному току) должна быть минимальной.

2.  Газовая эффективность источника электронов (отношение электронного тока к расходу рабочего вещества) должна быть возможно
более высокой.

3.  Схема электропитания нейтрализатора должна быть простой, вероятность безотказной работы и конструктивный ресурс не должны
быть ниже, чем у остальных элементов ЭР Д.

В ходе создания наземных прототипов ионных двигателей и плазменных двигателей с анодным слоем были исследованы различные виды нейтрализаторов: проволочные прямоканальные катоды, плазменные источники электронов и полые катоды.

В наибольшей степени этим требованиям отвечают плазменные нейтрализаторы и нейтрализаторы на основе полого катода. На рис. 2Л8 изображен газоразрядный плазменный нейтрализаторе Он состоит из эмитирующего элемента (катода) 1 в виде трубочки из гексаборида лантана с малым внутренним отверстием, стартового нагревателя 2, выполненного из вольфрамовой проволоки, тепловых экранов 3 и поджигающего электрода 4. Подача газообразного рабочего вещества осуществляется по трубчатому молибденовому токоподводу 5, обладающему малой теплопроводностью, После предварительного прогрева и срабатывания поджигающего электрода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок.

На рис» 2,19 изображена схема диафрагмированного газопроточного полого катода – нейтрализатора, обладающего наилучшими характеристиками по цене иона и газовой эффективности. Нейтрализатор может работать в авторежиме, т.е. без нагрева катода от постороннего источника

Внутренняя вставка полого катода изготовлена из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексаборида лантана). Типичные размеры нейтрализатора: диаметр внутренней полости 3 – 10 мм, длина 5–15 мм, диаметр выходного отверстия 0,5 – 3 мм, отношение площади выходного отверстия в катоде S_o к площади внутренней поверхности катода S_n равно 3–10- з _ 2–10-²« Электрические 86 параметры: расход ксенона в токовых единицах /^ = 0,03… 2,5 А, минимальное разрядное напряжение 14 В, выходной электронный ток /, = 0,1… 50 А.

Если пренебречь сравнительно небольшими радиационными потерями, то энергетическая цена электрона с_е практически равна разрядному напряжению U_p. Для определения газовой эффективности нейтрализатора удобно использовать соотношение

⁽²-⁶³⁾

в которое в явном виде входит геометрический параметр S₀/S_n. Для выбора оптимальных геометрических характеристик нейтрализатора, термоэмиссионных характеристик материалов и определения газовой эффективности необходимо рассчитывать вольтамперную характеристику нейтрализатора.

При расчете вольтамперной характеристики принимаются следующие предположения о процессах, происходящих в полом катоде:

\РВ

1)  электроны поступают в разряд с внутренних стенок катода в результате термоэмиссии;

2)  ионизация атомов производится в основном первичными (быстрыми) электронами, эмитированными стенками, и ускоренными в прикатодном слое разряда.

3)  первичные электроны, потеряв при неупругих столкновениях с атомами энергию порядка потенциала ионизации, становятся медленными и не принимают участия в процессах ионизации;

Рис. 2.18. Газоразрядный плазменный нейтрализатор: ¹ – катод; 2 – стартовый нагреватель; 3 – тепловые экраны;

4 – поджигающий электрод; 5 – токоподвод

Рис. 2.19. Диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор:

1 – катодная полость; 2 – катод; 3 – диафрагма катода; 4 – выходное отверстие;

5 – нагреватель; 6 – канал подачи рабочего вещества; 7 – тепловые экраны; 8 –

вспомогательный электрод (анод) для по джига разрядов; РВ – рабочее вещество

4)  толщина прикатодного слоя разряда т порядка дебаевского радиуса экранирования, а падение потенциала в нем близко к разряд, ной разности потенциалов.

Ионные двигатели на переменном токе

В элементах ионного двигателя (источник ионов, ускоряющая система, нейтрализатор, система подачи, электромагнит и др.) потребляется электрический ток различного напряжения и различной силы. Так, например, в американском двигателе SERT-II имеется 9 электрических цепей, из которых шесть работают на постоянном токе напряжением 30, 45, 50, 1800 и 3000 В и три на переменном.

Как известно, бортовые источники энергии для ЭРД способны вырабатывать постоянный ток низкого напряжения (солнечные батареи, термоэмиссионный ядерный реактор-генератор), либо переменный ток (ядерный реактор с турбогенератором). Двигатель SERT-II, например, потреблял около 1 кВт электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей в виде постоянного тока с первичным напряжением около 60 В.

Для согласования электрических параметров двигателей с параметрами первичных источников требуется бортовая система преобразования энергии. Прежде чем попасть в двигатель, постоянный ток низкого напряжения инвертируется в переменный, трансформируется до заданного напряжения, а затем выпрямляется. В двигателе SERT-II для этих целей применялся полупроводниковый преобразователь с удельной массой 15 кг/кВт. При проектировании подобных преобразователей возникают специфические проблемы. Вследствие сравнительно низких значений КПД элементов в преобразовательном блоке выделяется большое количество тепловой энергии. Так, при подводимой мощности 1 кВт и входном напряжении 60 В в блоке выделяется от 125 до 150 Вт тепла. Для обеспечения безопасной рабочей температуры полупроводниковых вентилей, входящих в преобразователь, необходимы большая площадь и масса холодильника-излучателя, поддерживающего температуру блока в пределах 50 – 70 °С. При переходе к ионным двигателям большой мощности (сотни киловатт) эта проблема становится еще более острой ^и требует разработки выпрямителей и инверторов со значительно более высокой рабочей температурой. Это заставляет искать новые пути решения проблемы преобразования электрической энергии, отвечающие условиям применения в космическом пространстве.

Одним из таких направлений является использование для выпрямления переменного тока плазменных объемов ионных двигателей, т.е. создание устройств, совмещающих в себе функции преобразователя тока и элементов двигателя.

Проведенные исследования показали, что практически все электрические цепи ионного двигателя можно перевести на питание переменным током. При этом по имеющимся оценкам, не только увеличивается надежность ЭРДУ, но и на 10 – 20% снижается ее удельная масса. В качестве источника энергии в этом случае целесообразно использовать систему с турбогенератором переменного тока, так как по сравнению с другими системами при питании двигателя переменным током она имеет минимальную удельную массу.

Схема газоразрядного ионного источника на переменном токе представлена на рис. 2.22. Цилиндрический анод 3 источника разделен на три части, либо на кратное трем число частей, которые по одной или группами коммутируются с фазами питающего трансформатора. Нулевая точка трансформатора Л соединена с корпусом камеры.

По мере изменения величины питающего напряжения, подаваемого на анод, разряд переходит с анода, потенциал которого уменьшается, на анод, положительный потенциал которого становится наибольшим. При трехфазном питании за время, равное периоду изменения напряжения, происходит трехкратная коммутация тока, при шестифазном питании – шестикратная. Ток в цепи работающего анода следит за его потенциалом. Поэтому в нулевом проводе протекает пульсирующий выпрямленный ток, а напряжение горения разряда совпадает с огибающей фазовых напряжений. Для обеспечения устойчивого горения разряда необходимо, чтобы напряжение зажигания разряда, примерно равное половине амплитудного напряжения, превышало потенциал ионизации рабочего вещества.

Рис. 2.22. Электрическая схема питания газоразрядного источника переменным током:

а – электрическая схема; б – осциллограмма тока и напряжения; 1 – трансформатор цепи разряда; 2 – фокусирующий электрод; 3 – анод; 4 – нулевой провод; 5 – «нерабочая» зона разряда; пунктиром показана граница диффузии плазмы в зону 5

При горении разряда на аноде наиболее положительной фазы через нее протекает весь разрядный ток /_р. В этот момент аноды других фаз выполняют функции коллектора хаотического ионного тока, величина которого не превышает 0,5 – 1% /_р. Поэтому контакт анод–плазма обладает вентильными свойствами, и разрядную цепь следует рассматривать как обычный однотактный выпрямитель с закороченным выходом.

Экспериментально установлено, что в любой момент времени достаточно площади одного работающего анода, чтобы генерируемая в источнике плазма заполнила весь объем разрядной камеры. Однако при питании переменным током концентрация плазмы, ее потенциал и электронная температура пульсируют с частотой напряжения разряда. К радиальной неравномерности распределения плотности ионного тока в выходном сечении разрядной камеры, характерной для источника кауфмановского типа, питаемого постоянным током, при переходе на переменный ток добавляются пульсации плотности тока по времени. Пульсации ионного тока ухудшают работу ионно-оптической системы двигателя. Они могут быть уменьшены за счет увеличения частоты питания разряда (до 2 – 2,2 кГц), числа анодов (до 6 – 9) и др.

Проведенные исследования показали, что при питании газоразрядных ионных источников переменным током могут быть достигнуты такие же показатели по энергетической эффективности, плотности ионного тока, пульсациям тока, как при питании источника постоянным током от выпрямителя без сглаживающих фильтров.

Ускоряющая цепь ионного двигателя (т.е. цепь, по которой образующиеся в источнике электроны поступают в нейтрализатор, а затем в ионный пучок) потребляет до 90% подводимой к двигателю мощности, и ее перевод на питание переменным током особенно целесообразен. Одна из возможных принципиальных схем ускоряющей цепи с выпрямлением тока в ионном двигателе представлена на рис. 2.23. Выпрямление высоковольтного тока происходит на анодных узлах, установленных в газоразрядной плазме ионного источника. В схеме использован один нейтрализатор, работающий на постоянном токе. Принцип действия схемы основан на способности квазинейтральной плазмы образовывать экранирующий слой при контакте с твердой стенкой (металлическим электродом). При положительном (относительно плазмы) потенциале электрода этот слой пропускает большой электронный ток с малым падением потенциала на границах слоя, при отрицательном потенциале T₀ к снижается до ионного и при определенных условиях экранирующий слой выдерживает без пробоя несколько киловольт. Поэтому, меняя потенциал электрода, можно изменять как ток зарядов к нему, так и потенциал окружающей плазмы.

Рис. 2.23. Принципиальная схема ускоряющей цепи с выпрямлением тока в ионном двигателе:

1 – камера ионизации; 2 – трансформатор цепи разряда; 3 – нейтрализатор; 4 – аноды цепи разряда; 5 – анодные узлы; 6 – трансформатор ускоряющей цепи; 7 – источник постоянного тока; 8 – подача рабочего вещества; 9 – ионный пучок

Если на три анодных узла подать трехфазное переменное напряжение, то потенциал плазмы начинает следить за потенциалом узла, имеющего наиболее высокий потенциал. Между этим узлом и плазмой устанавливается небольшая разность потенциалов, обеспечивающая прохождение по фазе электронного тока нейтрализации. Потенциал плазмы изменяется практически по огибающей диаграммы фазных напряжений. В соответствии с этим изменяется и потенциал корпуса источника, отличаясь на величину порядка электронной температуры. Таким образом, между нейтрализатором («нуль» трансформатора ускоряющей цепи) и корпусом камеры ионизации устанавливается пульсирующая разность потенциалов, необходимая для ускорения ионного пучка. За период изменения питающего напряжения ток нейтрализации переходит с фазы, потенциал которой. уменьшается, на фазу, потенциал которой возрастает в т раз (т – количество фаз). При этом в ионном источнике происходит разделение зарядов: ионы поступают из источника в ускоряющую систему и покидают двигатель в виде ускоренного пучка, а электронный ток замыкается на ионный пучок через нейтрализатор.

Рассмотрим более подробно вопросы выпрямления тока в плазменных объемах. Уже говорилось о возникновении вентильного эффекта в экранирующем слое или в зоне контакта плазмы с любым электропроводным узлом двигателя. Свободный контакт между плазмой и металлическим электродом будем называть открытым плазменным вентиль-анодом.

В некоторых элементах ЭРД подвижность плазменных электронов уменьшается, например, под воздействием внешнего магнитного поля. В ряде случаев возмущения плазмы за счет прямого контакта с электродом недопустимы. В этих условиях для выпрямления переменного тока следует применять газоразрядный вентиль-анод. В отличие от открытого вентиль-анода газоразрядный вентиль-анод выведен за пределы плазменного объема. Однако опорным электродом его разряда по-прежнему является плазменная граница, через которую электроны поступают из основного плазменного объема в прианодную зону вентиля. Плазменная граница выполняет роль виртуального катода для разряда, который загорается в прианодной области синхронно с частотой питающего напряжения. Необходимое давление газа обеспечивается натеканием из двигателя.

Вентильный эффект проявляется также в осе симметричном потоке плазмы, движущемся в неравномерном магнитном поле, вызывающем азимутальный дрейф электронов. При изменении направления электрического поля, а также при определенной величине магнитной индукции проводимость плазменного потока может изменяться в десятки раз, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока. Поскольку такие условия создаются в канале двигателя с азимутальным дрейфом электронов, вентиль, действующий по данному принципу, называется плазменным вентиль-каналом.

Все рассмотренные разновидности вентилей используют плазму ЭРД как рабочее вещество. Они составляют единое целое с конструкцией двигателя и имеют общую с ним температуру, равную сотням градусов. Это намного выше, чем рабочая температура полупроводниковых вентилей, используемых в современных преобразователях тока. Высокая температура плазменного вентиля составляет его главное преимущество по сравнению с полупроводниковым в космических условиях, где охлаждение элементов возможно только излучением.

Вентильные свойства контакта плазма-электрод во многом повторяют свойства полупроводникового диода. Как известно, последний обладает преимущественно односторонней проводимостью. Она зависит от направления и величины протекающего тока. Направление, соответствующее большей проводимости, называется прямым, направление, соответствующее меньшей проводимости, – обратным. Эффективность вентиля характеризуется коэффициентом выпрямления тока

(2.81)

где Q_пр и /_пр – проводимость и ток в прямом направлении; Q_обр и I_обр – те же величины в обратном направлении.

Вольтамперная характеристика идеального вентиля совпадает с осями координат, т.е. для него выполняются условия

(2.82)

Реальная характеристика отличается от идеальной, поскольку у реального вентиля отношение прямого и обратного тока составляет 10³ _ ю⁴, а отношение допустимого обратного напряжения к прямому Ю² -10³.

Основным элементом полупроводникового вентиля является тонкий слой р – n – перехода. Он обеднен носителями заряда, поэтому его проводимость намного ниже, чем у прилегающих к тонкому слою зон чистого (а = 1 Ом» ¹ м» *) и примесного (а = 1000 Ом'¹ м»¹) полу, проводников. Проводимость р – n-перехода растет с повышением температуры этого слоя что особенно пагубно в обратный полупериод, когда увеличение обратного тока приводит к пробою диода.

Плотность прямого тока вентиль-анода определяется плотностью хаотического электронного тока, поступающего из плазмы к границе экранирующего слоя,

(2.83)

Для газоразрядной плазмы ионных источников п_е = 10¹⁷ м ³, Т_е -= 1 эВ «10⁴ К и /_Пр = (2… 3)-10³ А/м². Это намного меньше, чему кремниевого диода (10⁶ А/м²), но на порядок больше, чем у селенового (200 – 300 А/м²).

(2.85)

У вентиль-анода, контактирующего с ртутной или аргоновой газоразрядной плазмой, а_в будет соответственно 424 и 190, что на 1 – 2 порядка меньше, чем у полупроводникового вентиля.

Большим значением коэффициента выпрямления переменного тока обладает газоразрядный вентиль-анод, в состав которого входят металлический вентиль-анод, изолированный в герметичном корпусе, плазменный эмиттер, например, граница плазмы в ионном источнике, и опорный электрод – корпус источника. Существенным элементом вентиля является деионизатор, разграничивающий прианодную область и плазму основного объема источника. В прямой или проводящий полупериод потенциал вентиль-анода положителен. Между ним и плазменным эмиттером, являющимся виртуальным катодом, поджигается вспомогательный разряд. Положение эмиттера фиксируется отверстиями деио-низатора. Вентиль заполняется проводящей плазмой, по которой выпрямленный ток поступает в цепь нагрузки.

В обратный полупериод потенциал вентиль-анода становится отрицательным, разряд вентиля гаснет и он становится квазивакуумным пространством, пропускающим ограниченный поток ионов. Наличие деионизатора облегчает поджиг разряда в прямой полупериод и уменьшает приток ионов из плазмы основного разряда. Таким образом, в газоразрядном вентиль-аноде используется не столько малая подвижность ионов, сколько искусственное снижение концентрации плазменных ионов в обратный полупериод.

Использованная литература

1.Д. Гришин Н. Лесков – Электрические ракетные двигатели космических аппаратов

2.В.Н. Лебедев – Расчет движения космических аппаратов с малой тягой