Разработка и исследование перспективных электродных узлов магнитоплазменных двигателей
На правах рукописи
Сысоев Денис Вячеславович
Разработка и исследование перспективных электродных узлов магнитоплазменных двигателей
Специальность 05.07.05 – «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2009 г.
Работа выполнена в ФГНУ «Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
ТИХОНОВ Виктор Борисович ;
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
ЛАТЫШЕВ Леонид Алексеевич;
кандидат технических наук
ОСТРОВСКИЙ Валерий Георгиевич;
Ведущая организация: ФГУП «Опытное конструкторское бюро «Факел»,
г. Калининград.
Защита состоится « » 2009 года в на заседании диссертационного совета Д 212.125.08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу:
125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)
Автореферат разослан « » 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 212.125.08, д.т.н., проф. Ю.В. Зуев
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Современный этап развития науки и техники характерен созданием космических аппаратов нового поколения различного назначения. Происходит увеличение энерговооруженности КА и, как следствие, появляется возможность широкого использования в космической технике электрических ракетных двигателей (ЭРД), способствующих значительному увеличению времени активного существования КА, решению новых задач в околоземном и дальнем космосе. Одним из типов ЭРД является магнитоплазменный двигатель (МПД).
Отличительной особенностью магнитоплазменного двигателя, по сравнению с двигателями других типов, таких, как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), плазменно-ионные двигатели (ПИД), являются высокая плотность тяги, улучшающая массогабаритные характеристики, относительно низкое напряжение разряда, облегчающее сопряжение с бортовой энергоустановкой и регулирование, а также конструктивная простота. Однако для МПД характерными являются токи в сотни ампер (для МПД с собственным магнитным полем – тысячи ампер) и соответствующие электрические мощности в десятки и сотни киловатт. Именно при таких значениях токов и мощностей проявляются преимущества данного типа двигателей. Достигнутый уровень КПД магнитоплазменных двигателей на сегодняшний день ниже, чем у перечисленных выше типов двигателей (СПД, ДАС, ПИД), однако для МПД характерна тенденция его увеличения с ростом мощности, что позволяет рассчитывать на повышение КПД в последующих исследованиях до уровня, сопоставимого с КПД других двигателей.
Имевший место в 60х – 70-х годах прошлого века большой интерес к исследованиям магнитоплазменных двигателей в дальнейшем несколько снизился. В значительной мере это объясняется отсутствием мощных космических энергетических установок, и практическим прекращением разработки проектов, в рамках которых предусматривалось применение таких двигателей.
В настоящее время возрождается интерес к ряду перспективных задач, для решения которых применение магнитоплазменных двигателей при использовании энергоустановок большой мощности может оказаться наиболее эффективным. Это, например, пилотируемый полет к Марсу, полет автоматического зонда с ядерной энергетической установкой на борту в системы планет-гигантов и другие. Соответственно, наблюдается рост интереса к данному типу электроракетных двигателей, проводятся экспериментальные и теоретические исследования их рабочих процессов, а разработка мощных энергоустановок, необходимых для электропитания МПД, в том числе ядерных (ЯЭУ) предусмотрена Федеральной космической программой России. Исследования МПД ведутся также за рубежом: в США, Германии, Японии, Италии.
Анализ литературных данных показывает, что наряду с успехами в понимании процессов, происходящих в МПД, и их взаимосвязи с характеристиками двигателя, остается нерешенным целый ряд проблем, касающихся, например, времени безотказной работы двигателей, расширения диапазона устойчивой работы, повышения удельных характеристик. При указанных выше величинах мощности определяющими факторами в решении данных проблем являются условия работы электродных узлов - анода и катода. Так, время безотказной работы МПД определяется в основном временем безотказной работы катода. Продемонстрированная для лучших образцов наработка катода и МПД в целом 100-500 часов существенно ниже требуемого для решения ряда баллистических задач моторного времени 5-10 тыс. часов. Повышение КПД двигателя, как уже отмечалось ранее, происходит с ростом его мощности, возможности увеличения которой ограничены так называемым «кризисом тока» (или «потерей устойчивости»), обусловленным прианодными процессами. Поэтому работы, направленные на решение перечисленных проблем, являются на сегодняшний день весьма актуальными.
Целью данной работы является разработка методов повышения времени безотказной работы катода МПД за счет снижения его рабочей температуры при использования присадки бария, и расширения диапазона докризисных режимов работы двигателя, ограниченного прианодными кризисными процессами.
В ходе исследования решались следующие задачи:
- оценка диапазона мощностей двигателя, в котором целесообразно для повышения КПД использовать внешнее магнитное поле;
- теоретический анализ влияния подачи присадки бария на степень покрытия барием поверхности катода и его температуру;
- экспериментальное изучение влияния подачи присадки бария в катод на его температурный режим и характеристики МПД;
- экспериментальное исследование возможности расширения диапазона докризисной работы двигателя за счет подачи в прианодную зону части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана методика оценки диапазона мощностей МПД, в котором для повышения КПД целесообразно применение внешнего магнитного поля;
- разработана методика оценки влияния подачи присадки бария на степень покрытия поверхности и температуру мультиполого катода;
- получены экспериментальные данные о влиянии присадки бария на температурный режим работы катода и характеристики стационарного литиевого МПД при различных способах подачи присадки;
- предложена и реализована модель стационарного двухступенчатого МПД с возможностью подачи части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону, получены рабочие характеристики модели;
- экспериментально установлена возможность расширения диапазона докризисной работы МПД при подаче части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону, получены экспериментальные данные о параметрах процессов, происходящих в рабочем объеме модели стационарного двухступенчатого МПД при совместной работе обеих ступеней, проведен анализ данных процессов.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
- проведенная оценка диапазона мощностей, в котором целесообразно для повышения КПД использовать внешнее магнитное поле, позволяет на ранних этапах разработки двигателя решить вопрос о необходимости применения соленоида;
- показано, что подача присадки бария в рабочую зону катода приводит к снижению температуры рабочей зоны на 400 градусов при сохранении неизменными интегральных характеристик двигателя. Такое снижение температуры способствует увеличению времени безотказной работы катода и двигателя в целом;
- показано, что использование эффекта влияния подачи части расхода рабочего тела в предварительно ионизованном состоянии в прианодную зону позволяет расширить диапазон докризисной работы МПД. Установлены и проанализированы проблемы, возникающие при реализации подобной схемы, предложены варианты их решения и направления дальнейших исследований подобных моделей.
На защиту выносятся:
1. Методика оценки влияния подачи бария на степень покрытия барием катода и температуру поверхности катода, и результаты исследований влияния подачи присадки бария в катод на температурный режим катода и характеристики двигателя.
2. Результаты исследований МПД с подачей в прианодную зону части расхода рабочего тела в ионизованном состоянии.
3. Методика расчета диапазона мощности МПД, в котором для повышения КПД целесообразно применение внешнего магнитного поля.
Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается хорошей корреляцией расчетных и экспериментальных данных, полученных при выполнении диссертации.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических семинарах в НИИПМЭ МАИ, на конференции «XXV академические чтения по космонавтике», 2001 г., на 3-й (2004 г.) и 4-й (2005 г.)международных конференциях «Авиация и космонавтика», на конференции «International Symposium on Energy Conversation Fundamentals». Istanbul, Turkey, 2004 г. Основное содержание работы изложено в 6 печатных работах (4 - тезисы докладов, 2 - статьи) и 2 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Объем работы 141 страница, 128 наименований использованной литературы.
Первая глава посвящена современному состоянию исследований МПД.
В первом разделе описаны существующие модели рабочих процессов. Результаты проведенных предыдущими авторами исследований позволили составить представления о механизмах протекания основных рабочих процессов в МПД и характере их влияния на его работу.
Приведены действующие в МПД компоненты полей, токов, механизмов ускорения плазмы, а также представления о локализации механизмов ускорения в объеме двигателя. Отмечено, что возможность одновременного использования различных механизмов ускорения делает его схему более гибкой и существенно расширяет рабочий диапазон параметров по сравнению, например, с двигателями с собственным полем. Одновременно это значительно усложняет теоретический анализ процессов в МПД.
Представлена квазиодномерная модель ускорения плазмы в осесимметричном разряде с внешним магнитным полем, которое много больше собственного, когда область ускорения разбивается на три части: анодную струю, катодную струю, и зону основного ускорения плазмы.
Отмечено, что существенно уточнить физическую картину рабочих процессов в МПД позволили магнитные зонды, которыми были определены как внешнее 
, так и собственные магнитные поля 
и 
, создаваемые токами Холла, и компонента 
, создаваемая осевым током. Радиальное вытекание тока наблюдалось между магнитными силовыми линиями, проходящими через внешний радиус катода и кромку цилиндрического анода. На границах этой области токи текут вдоль магнитных силовых линий. В основной зоне электромагнитного ускорения плазмы величина эффективного параметра Холла 
находится в интервале от 1 до 4 (2 в большей части объема).
Важными для работы МПД являются процессы, происходящие вблизи электродных узлов. Так, с катодным узлом связана проблема несоответствия времени безотказной работы МПД и требуемого моторного времени вследствие эрозии материала катода. Процессы же, происходящие вблизи анодного узла, приводят к так называемому «кризису тока» (прекращение роста тока после некоторого значения при росте напряжения), который ограничивает дальнейший рост удельных характеристик.
Во втором разделе описаны существующие методы расчета параметров МПД.
Приведены уравнения идеальной магнитной гидродинамики для каждой из компонент, системы уравнений, позволившие получить первые численные результаты, двухжидкостная система для полностью ионизованной, невязкой плазмы с учетом особенностей процессов в МПД.
Граничными условиями для этих уравнений являются условия на электродах.
Для сильноточной и холловской компонент тяги приведены соотношения, полученные разными авторами, в том числе те, которые не содержат неопределенных параметров типа среднего параметра Холла. Их проверка для МПД мощностью 30-50 кВт продемонстрировала хорошее совпадение с экспериментальными результатами.
В третьем разделе приведены параметры, характеризующие степень совершенства МПД, и их величины, достигнутые к настоящему времени при разработке ряда конкретных моделей. Отмечено, что результаты исследований квазистационарных моделей затруднительно экстраполировать на стационарные аналоги, хотя общие закономерности процессов совпадают.
Вторая глава содержит анализ тенденций развития конструктивного облика МПД.
В первом разделе главы рассмотрены вопросы выбора рабочего тела МПД. Рабочие тела можно разделить на две основные группы: газообразные и жидкометаллические. Газообразные представлены инертными газами (как правило, аргоном), водородом, аммиаком, азотом и другими. Среди жидкометаллических наиболее часто предлагается литий. Конструкции МПД, работающих на газах и на металлах, имеют заметные отличия.
Указано, что на выбор рабочего тела МПД оказывают влияние множество факторов, относящихся как непосредственно к рабочему процессу в двигателе, так и например, к решению баллистической задачи полета (требуемой скорости истечения и, возможно, ее регулирования), компоновке космического аппарата, типу используемой энергоустановки, экологическим требованиям, хранению рабочего тела и т.д.
Сделан вывод о том, что в качестве рабочего тела мощных магнитоплазменных двигателей, предназначенных для транспортных операций при полете к Луне и Марсу, целесообразно использовать литий. В случае же, когда его использование по каким-либо причинам невозможно (например, в состав КА входит чувствительная к загрязнению поверхностей энергоустановка на базе солнечных батарей), может использоваться менее загрязняющее поверхности газообразное рабочее тело. При этом для обоснованного выбора газообразных рабочих тел потребуется отдельная многопараметрическая оптимизация.
Во втором разделе главы рассмотрены кризисные явления в МПД и диапазон использования внешнего магнитного поля.
Проведен анализ работ, посвященных причинам наступления критических режимов. В литературе эти причины имеют различные объяснения. Так, в качестве причин, приводящих к кризисному режиму МПД называют отжатие разряда в сильноточном ускорителе от стенок вследствие пинч-эффекта, процессы в дебаевских прианодных слоях, равенство хаотического тока на границе анодной области и разрядной плотности тока как ограничивающее условие устойчивой работы, связывают природу запирающего прианодного скачка с эффектом Холла, когда плазма отжимается от анода. Уменьшение концентрации плазмы приводит к росту 
и, соответственно, к росту сопротивления в прианодном слое.
Непосредственный механизм образования положительных и отрицательных анодных падений (в отсутствии магнитного поля) детально рассмотрен В.Л. Грановским, а также Дюжевым Г.А., Школьником С.М., Юрьевым В.Г. Основным фактором, определяющим знак падения, названо отношение хаотического электронного тока в плазме к направленному.
Отмечено, что все процессы, вызывающие кризисные явления, действуют совместно. Совместное влияние пинч- и холл- эффекта отжимают плазму от анода, снижают концентрацию заряженных частиц. Соответственно, это вызовет уменьшение хаотического тока 
, который может стать ниже плотности разрядного тока у анода, 
.
Указано, что попытки расширить диапазон устойчивых режимов работы в МПД предпринимались неоднократно. Исследовалось влияние подачи части расхода в неионизованном состоянии в прианодную область (в том числе непосредственно сквозь анод), подачи в прианодную область всего расхода. Анализ результатов этих исследований затруднен вследствие отсутствия общих критериев, по которым можно было бы судить об эффективности результатов экспериментов. Однако в целом однозначных преимуществ подачи части расхода рабочего тела в прианодную зону не продемонстрировано. Очевидно, это связано с неэффективностью ионизации в прианодной зоне подаваемого в указанную зону или через анод рабочего тела.
Отмечено, что изменение условий переноса заряда в прианодной области возможно либо путем подачи ионов рабочего тела от поверхности анода, либо с помощью увеличения концентрации заряженных частиц (что приводит к росту значения хаотического тока с соответствующим расширением границ устойчивой работы ускорителя). Повысить концентрацию заряженных частиц возможно с помощью организации дополнительного разряда, в котором ионизируется подаваемое в анодную зону рабочее тело. Подобный подход для стационарного режима работы МПД ранее не исследовался. Таким образом, значительный интерес представляет исследование влияния на интегральные характеристики ускорителя и локальные характеристики плазмы в рабочем объеме подачи в прианодную зону части расхода в предварительно ионизированном состоянии.
Проведена оценка диапазона мощностей МПД, в котором целесообразно применять внешнее магнитное поле. Использована полученная В.Б. Тихоновым зависимость, отражающая влияние на режим работы двигателя отношения магнитного
и газодинамического 
давлений. Для литиевого МПД с собственным магнитным полем в сечении, где 
=1 это отношение, обозначенное через параметр 
, будет равно ( 
- [А], 
- [кг/с]):
.
Для литиевого МПД с внешним магнитным полем:
.
В промежуточном случае (присутствует собственное и внешнее магнитное поле) предложен следующие вид кризисного параметра:
.
Проверка предложенного выражения с помощью соотношения для магнитного давления на срезе катода и использования характерных параметров МПД показала его справедливость.
Внешнее магнитное поле перестает доминировать в росте тягово-энергетических характеристик при наступлении равенства холловской и сильноточной компонент тяги. Это позволяет получить соотношение
, 
- [А], 
- [Тл].
С другой стороны, приравнивая критерий 
и аппроксимационное выражение, описывающее кризисную кривую, можно получить соотношение для работы в докризисной области на ее границе (
- атомная масса рабочего тела, а.е.м., 
-параметра обмена):
, или 
, 
- [Тл].
Отсюда максимально допустимые величины магнитной индукции внешнего поля и тока разряда, соответствующие устойчивой работе МПД при равенстве составляющих тяги, вызываемых магнитным полем собственного тока и холловской составляющей внешнего магнитного поля:
Тл, 
А.
Данные параметры соответствуют мощности литиевого двигателя около 300-350 кВт.
В третьем разделе рассмотрен вариант исполнения электродной системы литиевого МПД, позволяющий, по мнению автора, наиболее полно использовать преимущества жидкометаллического рабочего тела.
Выработаны рекомендации по выбору диаметра и формы анода. Отмечена необходимость профилирования анода вдоль магнитных силовых линий внешнего поля. Отмечены слабо выраженное влияние различных вариантов формы соленоида на характеристики двигателя, а также необходимость стремиться к максимально мощным единичным модулям МПД.
Конструкцию активной части катода МПД, по результатам анализа источников, предпочтительно выполнять в виде т.н. мультиполого катода со сквозной подачей рабочего тела. Такой катод позволяет работать при малых расходах рабочего тела, обеспечивает более эффективное его использование в рабочем процессе и способен работать без существенной эрозии на больших токах. Кроме того, поскольку напряженность электрического поля в полом катоде довольно велика, то уменьшение глубины затекания плазмы при переходе к мультиполому приводит к снижению общего напряжения, прикладываемого к разряду.
Отмечено, что основным процессом, определяющим унос массы катода, стационарно работающего в среде лития, при характерных для МПД режимах является термическое испарение материала катода, описываемое уравнением Ленгмюра-Дэшмана. Следовательно, принимая меры к снижению температуры активной зоны катода (при сохранении эмиссионных свойств), можно ожидать снижения массоуноса материала катода и повышения времени безотказной работы катода. Этого можно добиться применением веществ-активаторов, таких, как барий, сочетающий малую работу выхода и высокую энергию адсорбции. Рассмотрены варианты схем восстановления на поверхности катода пленки активатора, такие, как применение в конструкции катода материалов, содержащих запас вещества-активатора в своей структуре, или добавление присадки в поток основного рабочего тела.
Третья глава содержит результаты исследования работы МПД с подачей присадки бария в катод.
В первом разделе главы проведены оценки, позволяющие выбрать соотношение расходов присадки бария и основного рабочего тела – лития.
Степень покрытия поверхности определяется появлением атомов и ионов присадки на поверхности, адсорбцией, десорбцией, уходом в плазму, и возвратом испарившихся атомов и ионов присадки из плазмы. Предполагается, что присадка подается равномерно распределенной в потоке лития.
Соотношение для степени покрытия 
, учитывающее, что из общего потока частиц из газовой фазы 
адсорбируется только часть, попадающая на незанятые другими атомами места, имеет вид:
,
где 
- поверхностная плотность покрытия, соответствующая монослою частиц адсорбата на поверхности; 
- частота колебания адатома на поверхности; - теплота адсорбции, - масса адатома; - парциальное давление присадки; 
- температура поверхности; 
- температура частиц.
Это соотношение было использовано в расчете как наиболее отвечающее физическим условиям, а именно малой вероятности образования второго слоя адатомов.
Для ряда значений 
получены величины степени покрытия в зависимости от концентрации бария и температуры (рис.1).
 Зависимость степени покрытия от температуры (подложка – W).  =3,8 эВ, 1 – n=1021, 2 – n=5·1020, 3-n=1019, 4 – n=5·1018, 5 – n=1018, 6 – n=5·1017, 7 – n=1017, 8 – n=5·1016, 9 – n=1016, 10 – n=5·1015 (1/м3). |  Зависимость степени покрытия от температуры (подложка – W).  =4,1 эВ, 1 – n=1021, 2 – n=5·1020, 3-n=1019, 4 – n=5·1018, 5 – n=1018, 6 – n=5·1017, 7 – n=1017, 8 – n=5·1016, 9 – n=1016, 10 – n=5·1015 (1/м3). |
Рис.1. Степень покрытия барием для разных 
.
В соответствии с приводимыми Б.Я. Мойжесом, Г.Е. Пикусом данными, степень покрытия 0,3 уже существенно влияет на эмиссионные характеристики вольфрама, покрытого барием (работа выхода понижается в 2 раза). Из рис. 1. следует, что, например, значение 
0,3 достигается для 
=4,1 эВ при значениях концентрации бария n=5·1018 1/м3 в случае снижения температуры до Т=2500 К. При этом, согласно приводимым этими же авторами данным, значение 
=4,1 эВ и соответствует степени покрытия около 0,2 0,3. Это подтверждает справедливость проведенной оценки.
Для того, чтобы установить, каким расходам присадки бария соответствуют использованные при расчете концентрации, найдены параметры плазмы в полостях катода.
Среднее давление и концентрация ионов лития и бария определялись из уравнения неразрывности. Скорость плазмы на выходе принята равной ионно-звуковой скорости. Значения ионной и электронной температур приняты равными их величинам в основном разряде в предположении их слабого изменения по длине полости, 
, 
. В результате получено, что, например, для МПД с характерным расходом лития 20 мг/с концентрации бария n=5·1018 1/м3 соответствует его расход 2,0% по массе относительно расхода лития.
Изменение температуры поверхности катода вследствие покрытия поверхности барием оценивалось по соотношению Ричардсона-Дэшмана с учетом поправки Шоттки. Результаты расчета приведены на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость плотности тока эмиссии от температуры для различных величин работы выхода: 1-
=3,5 эВ (
=3,41 эВ), 2 -
=3,75 эВ (
=3,66 эВ), 3 -
=4,0 эВ(
=3,91 эВ), 4 -
=4,25 эВ (
=4,16 эВ), 5 - 
=4,5 эВ (
=4,41эВ).
Фактическая плотность тока на катоде использованного в исследовании МПД определялась из известного разрядного тока и геометрических параметров активной зоны катода. Учитывалось, что плотность электронного тока может находиться в пределах от 0,7 до 1 от полной. Получено, что плотность тока эмиссии составляет А/см2.
Из рис. 2 можно видеть, какой температуре соответствует эмиссионный ток, для разных значений работы выхода. Так, величина плотности тока 
А/см2 может быть обеспечена, например, при 
=3,6 эВ и температуре 2500 К. В свою очередь, 
=3,6 эВ отвечает степени покрытия барием вольфрама 0,20,3, что показано Б.Я. Мойжесом, Г.Е. Пикусом.
Таким образом, по результатам предварительных оценок получено, что расход присадки бария 2% по массе, позволяет обеспечить температуру поверхности около 2500 К и неизменную по сравнению с работой на чистом литии плотность тока.
Во втором разделе третьей главы приведены результаты экспериментального исследования влияния присадки бария на работу МПД.
Обеспечить подачу бария в катод возможно с помощью нескольких схем. Первая – создание системы подачи присадки, конструктивно отделенной от системы подачи основного рабочего тела. Вторая – с помощью расположенных катодном узле различного рода устройств – ампул, прогрев которых при работе МПД обеспечивает испарение бария и поступление его в поток основного рабочего тела. Третья – применение предварительно изготовленной композиции из основного рабочего тела и присадки. В данном исследовании было принято решение не вносить существенных изменений в конструкцию базового двигателя и стенда (использовать второй и третий варианты).
Модель двигателя имела вольфрамовый анод, спрофилированный вдоль линий внешнего магнитного поля. Длина расширяющейся части анода, его диаметр по выходной кромке, а также расстояние от торца катода до среза анода составляет ~70 мм. Катодный узел, через который подавался литий, состоял из цилиндрической вольфрамовой обечайки внутренним диаметром 20 мм (и внешним диаметром 24 мм) с плотно упакованными в ней вольфрамовыми стержнями диаметром 1,5 мм и общим числом 66 штук. Катод подогревался графитовым нагревателем перед запуском модели (до температуры 1170-1270 К). Нагреватель мог также использоваться в процессе работы двигателя. Катодный и анодный узлы разделялись изолятором, изготовленным из нитрида бора.
Для исследования влияния присадки бария на работу МПД по второй из рассмотренных схем была проведена серия экспериментов. Характерный режим работы МПД: расход лития 
– 13-15 мг/с, ток разряда 
– 600-700 А, индукция внешнего магнитного поля на срезе катода – 0,1 Тл. Интегральные характеристики МПД приведены на рис. 3 (а, б, в). Внутри катода в полости между шнеком и набивкой была размещена ампула с барием 1 (рис. 4). Конструктивно ампула представляла собой гильзу из вольфрама 1, которая закрывалась пористой (с пористостью 0,23) вольфрамовой вставкой 2 (рис. 5). Количество бария, заправляемое в ампулу при каждом эксперименте, составляло около 2 г.
Вследствие размещения ампулы в зоне высоких температур (2250-2500 К) в начальный период происходил выброс бария из ампулы. В таблице 1 приведены параметры разряда при повышенном количестве бария и при его отсутствии.
Таблица 1
| Режим |  ,мг/с |  , Тл | Iр, А | Uр, В |
| Li с повышенным кол-вом бария | 14 | 0,05 | 500 | 41 |
| Li при отсутствии бария | 14 | 0,05 | 500 | 30,5 |
В каждом эксперименте был зафиксирован режим наиболее устойчивой работы МПД, соответствующий относительно стабильному поступлению паров бария в разряд. Параметры данного режима таковы: 
=14,0-14,5 мг/с, 
=0,1 Тл, Iр =700 А, Uр=37-38,5 В. На этом режиме были измерены тяга P, температуры катода TK и анода TA. Их сопоставление с данными для работы двигателя без присадки бария дается в таблице 2 и на рис. 3 (а, б, в). Температура измерялась оптическим пирометром ЭОП-66 с площадкой визирования 1 мм2.
На рис. 6 и 7 приведены фотографии катода при одинаковых параметрах разряда и условиях съемки для случая подачи присадки бария (рис. 7) и без нее (рис. 6). Видно, что температура активной зоны катода при подаче присадки ниже (стержни набивки и обечайка темнее), чем у катода, работающего на одном только литии.
Таблица 2
| Режим |  , мг/с |  , Тл | Iр, А | Uр, В | P, Н |  , % | TK, K | TA, K |
| Li+Ba | 14 | 0,1 | 700 | 38,0 | 0,49 | 33,5 | 2510 | 2150 |
| Li | 14,5 | 0,1 | 700 | 41,5 | 0,50 | 32,5 | 2900 | 2270 |
Были также проведены эксперименты, в которых для подачи присадки применялась композиция из основного рабочего тела и растворенного в нем бария (с содержанием бария около 4% по массе). Это достигалось путем размещения навески бария в объеме системы подачи с литием, которая затем прогревалась в условиях вакуума в течении ~2 часов при температуре 470530 К.
Выбор такой значительной величины содержания бария в литии был обусловлен необходимостью учесть потери бария на внутренних поверхностях системы подачи за счет адсорбции и возможную неравномерность распределения бария по объему лития в системе подачи. Остальные условия проведения экспериментов аналогичны описанным ранее. Во всех экспериментах были отмечены следующие особенности работы двигателя:
-первые 1520 минут после запуска параметры двигателя соответствовали работе на чистом литии.
-далее происходило снижение напряжения разряда и температуры активной зоны катода, что свидетельствовало о начале поступления вместе с литием бария.
| Рис. 3. Интегральные характеристики МПД | Рис. 4. Магнитоплазменный двигатель |
| Рис. 5. Ампула |
| Рис. 6. Катод без подачи присадки бария | Рис. 7. Катод с подачей присадки бария |
При этом тяговые характеристики и эффективность двигателя оставались близкими к их значениям при работе на одном только литии. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.
Таблица 3
| Режим |  , мг/с |  , Тл | Iр, А | Uр, В | P, Н |  , % | TK, K | TA, K |
| Li+Ba | 20 | 0,1 | 700 | 36,0 | 0,54 | 28,0 | 2510 | 2150 |
| Li | 20 | 0,1 | 700 | 39,0 | 0,54 | 27,0 | 2900 | 2260 |
На основании полученного экспериментально значения TK проведен анализ справедливости предварительных оценок. Подтверждено, что расход присадки бария на уровне 1,5 – 2 % обеспечивает степень покрытия барием 0,2 – 0,3 и температуру поверхности катода ~2500 К, что на 400 градусов ниже, чем при работе на чистом литии.
Проведенная теоретическая оценка на основании уравнения Ленгмюра-Дэшмана показала возможное снижение массоуноса более чем в 250 раз относительно работы на чистом литии.
В третьем разделе проведена оценка погрешности экспериментальных результатов. Получено, что погрешность измерения тяги не превышает 3,4 %, а погрешность измерения напряжения не превышает 1,2 %.
По третьей главе сделаны следующие выводы. Проведена оценка влияния расхода присадки бария на степень покрытия поверхности активной зоны катода барием и температуру эмитирующей поверхности. Показано, что подача присадки на уровне 2% по массе от расхода основного рабочего тела обеспечивает снижение температуры активной зоны до 2500 К при сохранении эмиссионных характеристик активной зоны катода. Эксперименты подтвердили справедливость предварительных оценок и показали, что подача присадки бария с использованием различных схем в двигатель, работающий на литии, позволяет снизить рабочую температуру активной зоны катода на величину около 400 градусов и напряжение разряда на 3-4 В при неизменных тяговых характеристиках МПД. Такое снижение температуры может привести к значительному увеличению времени безотказной работы катода за счет уменьшения величины термического испарения его материала. Применение присадки бария является перспективным направлением повышения времени безотказной работы МПД.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния подачи дополнительного расхода в прианодную зону в ионизированном состоянии на кризисные режимы работы двигателя. Для исследования была разработана и изготовлена модель МПД мощностью 5 кВт, использующая в качестве рабочего тела аргон. Функциональная схема модели представлена на рис 8. Модель имеет две разрядные ступени с независимым электропитанием и подачей расхода рабочего тела в каждую ступень в отдельности, анодный узел, обеспечивающий прохождение плазмы, образованной дополнительным разрядом, сквозь свою поверхность, и соленоид. Катодный узел первой ступени представляет собой вольфрамовый наконечник. Катод второй ступени представляет из себя вольфрам-рениевую проволоку, свернутую в кольцо, к которой крепятся четыре таблетки гексаборида лантана. Конструктивная схема двухступенчатого МПД приведена на рис 10.
Комплекс выполненных исследований состоял из двух этапов. На первом изучались условия зажигания разрядов первой и второй ступеней, характеристики докризисных и закризисных режимов. Основные результаты первого этапа приведены на рис 13. Из них следует, что ВАХ разряда первой ступени ведут себя типичным для МПД образом, а именно при прочих равных условиях напряжение разряда увеличивается с ростом внешнего магнитного поля, и уменьшается при увеличении расхода. Такая же зависимость наблюдается при подаче дополнительного расхода через вторую ступень, однако в этом случае кризис наступает раньше по сравнению с подачей суммарного расхода только через первую ступень.
Из набора представленных режимов работы в качестве основного для дальнейшего исследования был выбран режим с критическим током 
60А, суммарным расходом 
1,4мг/c, индукцией внешнего магнитного поля на срезе катода 
0,045Тл.
Эксперименты на данном режиме показали, что при включенной второй ступени происходит уменьшение напряжения разряда первой ступени – увеличивается значение критического тока (рис.14). Таким образом, подача дополнительного расхода в прианодную зону в ионизированном состоянии отодвигает наступление кризиса и расширяет диапазон устойчивой работы МПД. Однако, необходимо отметить, что данный эффект наблюдался не в каждом эксперименте. Возможно предположить, что в условиях невысокой степени ионизации в области внешнего разряда эффект проявляется при каком-либо конкретном положении точки привязки дуги на внутренней поверхности анода.
На втором этапе исследований внутри модели были проведены электрозондовые измерения. Цилиндрический зонд диаметром 0,5 мм размещался на расстоянии 30 мм от среза катода (точки зона 1 и зона 2). Измерения проводились относительно потенциала анода. В области центрального разряда концентрация плазмы рассчитывалась из ионной ветви зондовой характеристики, а истинный потенциал – по плавающему потенциалу с учетом
 Рис. 8. Функциональная схема двигателя | Рис. 10. Конструктивная схема двух-ступенчатого МПД. 1 -анод, 2 -катодный узел, 3- катод дополнительного разряда, 4 -соленоид, 5, 6, 7 -изоляторы, 8, 9 -фланцы, 10 -устройство подачи рабочего тела. | |
 Рис. 9. Установленный на ТИУ двигатель | ||
| Рис. 11. Работающая модель | Рис. 12. Совместная работа обеих разрядных ступеней | |
температуры электронов. В зоне второго разряда и определялись из электронной ветви зондовой характеристики. В таблицах 4, 5 приведены полученные результаты. Их анализ показывает, что включение разряда второй ступени оказывает малое влияние на величину концентрации электронов в зоне первого. Концентрация плазмы во второй зоне увеличивается в 4-5 раз после включения первого разряда.
  =3,15·10-6 кг/c,  =0, Iр2=0 1 - Bc=0,03Tл; 2 - 0,045 Тл; 3 - 0,06Тл; 4 - 0,075 Тл а) |  Bc=0,045Tл,  =0, Iр2=0 1 -  =1,35·10-6 кг/c; 2 -  =1,95·10-6 кг/c; 3 -  =3,15·10-6 кг/c б) |
  =0,69·10-6 кг/c,  =0,7·10-6 кг/c, Iр2=0 1 - Bc=0,03Tл; 2 - 0,045 Тл в) |  Bc=0,045Tл, Iр2=0 1 -  + =(1,1 +0)·10-6 кг/c; 2 - (1,1+0,28)·10-6 кг/c; 3 - (1,1+0,83)·10-6 кг/c; 4 - (2+0)·10-6 кг/c г) |
 Bc=0,045Tл, Iр2=0; 1 -  + =(0,75 +0)10-6 кг/c; 2 - (0,72+0,74) ·10-6 кг/c; 3 - (1,1+0,28) ·10-6 кг/c; 4 - (1,45+0) ·10-6 кг/c д) | |
Рис.13. Вольт-амперные характеристики двухступенчатого МПД
 Bc=0,045Tл,  =0,69мг/c,  =0,7мг/с 1 - Iр2=0; 2 - Iр2=14А, Uр2=48В | Bc=0,045Tл, =0,71мг/c, =0,74мг/с 1 - Iр2=0; 2 - Iр2=15А, Uр2=42В |
Рис. 14. Вольт-амперные характеристики двухступенчатого МПД при отключенном (1) и включенном (2) разряде второй ступени
Таблица 4
Зона 1 (первая ступень)
| Работающие ступени |  , эВ |  , В |  , м-3 |
| Откл 2 ступень | 7,4 | -7,6 | 51018 |
| Вкл 2 ступень | 7,4 | -7,6 | 51018 |
| Iр210 А; Uр234В; Iр147 А; Uр154В; Bc=0,045Tл | |||
Таблица 5
Зона 2 (вторая ступень)
| Работающие ступени |  , эВ |  , В |  , м-3 |
| 2 (1ая выключена) | 4,0 | 12 | 11016 |
| 2+1 | 6,5 | 12 | 41016 |
| 1 (2ая выключена) | 5,7 | 11 | 51016 |
| Iр210 А; Uр234В; Iр150 А; Uр156В; Bc=0,045Tл | |||
В то же время зафиксированное увеличение кризисного тока и при низком значении 
второго разряда, а также факт некоторой нестабильности проявления данного эффекта свидетельствуют о зависимости проявления эффекта от условий работы периферийного разряда, места его привязки и условий поступления плазмы в прианодную область центрального разряда.
Во втором разделе на основе выполненных экспериментов проведен анализ происходящих в двигателе процессов. Нестабильность проявления эффекта влияния периферийного разряда на характеристики МПД в первую очередь связана с низкой степенью ионизации дополнительного расхода. Это подтверждается результатами расчета вероятности ионизации дополнительного расхода
,
где 
есть характерный размер системы, 
- средняя длина свободного пробега электронов в среде ионизируемых атомов. Величина 
существенно меньше единицы.
Рассмотрены возможности повышения эффективности ионизационных процессов в области разряда второй ступени. Так, при использовании проволочного катода увеличить 
можно только путем повышения концентрации атомов 
в прианодной зоне. Это приведет к выходу данного МПД за рамки своей рабочей области и превращению его в аналог дугового двигателя.
Второй путь заключается в разработке и изготовлении нового катода второй ступени, при уровне расхода 
~1 мг/c, обеспечивающего необходимые условия (а именно концентрацию нейтральных атомов 
~10211022 1/м3) для эффективной ионизации рабочего тела.
Отмечено, что принципиально возможен процесс ионизации дополнительного расхода в слое анодного падения потенциала.
В соответствии с анализом результатов, полученных в данной работе и в предыдущих исследованиях кризисных режимов, значение анодного падения 
для стационарного МПД не превышает 1020 В. При достижении этой величины поведение ВАХ резко изменяется – она становится более пологой. Это связано с процессами испарения и ионизации материала анода на кризисных режимах, что подтверждается спектрометрическими измерениями, проведенными авторами предшествующих работ.
Следовательно, необходимо использовать рабочее тело с потенциалом ионизации 
меньшим, чем потенциал ионизации материала анода. В этом случае величины 
~1020 В вполне достаточно (при создании необходимых условий) для эффективной ионизации дополнительного расхода в анодном слое.
Совокупность полученных результатов позволила сделать следующие выводы:
- экспериментально установлен эффект влияния разряда второй ступени на вольтамперные характеристики двухступенчатого МПД, отодвигающий область критических режимов работы в область больших токов;
- основная причина нестабильности проявления эффекта заключается в существенно более низкой степени ионизации дополнительного расхода по сравнению со степенью ионизации основного расхода в центральном разряде;
- предложены возможные варианты решения проблемы повышения степени ионизации у анода. Эти варианты сопровождаются либо повышением расхода, либо применением полого катода вспомогательного разряда.
В заключении диссертации сформулированы следующие выводы:
1. Разработана методика оценки влияния величины расхода присадки бария к основному рабочему телу на степень покрытия и температуру поверхности активной зоны катода. Расчетным путем показано, что при использовании в качестве рабочего тела лития расход присадки бария около 2% по массе от расхода лития может обеспечить снижение температуры активной зоны катода с 2900 К до 2500 К.
2. Экспериментально исследована работа МПД на литии с присадкой бария. Установлено, что при подаче присадки бария в соотношении около 1,5 % от расхода лития температура активной зоны катода снижается на 400 градусов при сохранении практически неизменными интегральных характеристик МПД. По оценкам это уменьшает унос материала катода, обусловленного термическим испарением более, чем в 250 раз, что приведет к увеличению времени безотказной работы катода и МПД в целом.
3. Экспериментально показано, что подача в прианодную зону МПД дополнительного расхода в частично ионизированном состоянии позволяет сдвинуть границу кризисных режимов в сторону больших токов разряда и дает возможность расширить диапазон докризисных режимов работы.
4. Разработана методика расчетной оценки максимального уровня мощности МПД, выше которого применение внешнего магнитного поля для повышения КПД двигателя нецелесообразно. Для двигателя, работающего на литии, это значение составляет 300-350 кВт. При мощностях, превышающих указанный уровень, применение внешнего магнитного поля в основном определяется необходимостью обеспечения азимутальной однородности разряда.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
1. Семенихин С.А., Сысоев Д.В. Современное состояние исследования магнитоплазменных двигателей//Тезисы докладов XXV академических чтений по космонавтике. М. «Война и мир». 2001. с. 91-92.
2. Семенихин С.А., Сысоев Д.В. Методы повышения ресурса катода//Тезисы докладов XXV академических чтений по космонавтике. М. «Война и мир». 2001. с. 109-110.
3. Тихонов В.Б., Семенихин С.А., Сысоев Д.В. Итоговый отчет о научно-исследовательской работе «Исследование динамики плазмы в двигателях больших мощностей». Министерство образования РФ. Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики МАИ. Шифр гранта ТОО-6.8-479 Москва. 2002. 84 с. № гос. регистрации 03200200466.
4. Обухов В.А., Попов Г.А., Семенихин С.А., Сысоев Д.В., Федотов Г.Г. Состояние исследований и перспективы применения магнитоплазмодинамических двигателей. 3-я международная конференция «Авиация и космонавтика-2004». Москва. 1-4 ноября 2004 г. Тезисы докладов. М. Издательство МАИ. 2004. с 87.
5. Обухов В.А., Антропов Н.Н., Тютин В.К., Орлов М.М., Дьяконов Г.А., Семенихин С.А., Черкасова М.А., Сысоев Д.В., Свотина В.В. Итоговый научно-технический отчет по НИР «Экспериментально-теоретическое исследование сильноточных магнитоплазмодинамических ускорителей на стационарных и импульсных режимах». Шифр темы «Плазмодинамика». 2004. 70 с. № гос. регистрации 01200315700.
6. Семенихин С.А., Сысоев Д.В. Определение минимально необходимого расхода присадки бария в катоде стационарного МПД-двигателя// 4-я международная конференция «Авиация и космонавтика-2005».10-13 ноября 2005г. Тезисы докладов. М. Издательство МАИ. 2005. с. 151.
7. Семенихин С.А., Сысоев Д.В., Тихонов В.Б. Экспериментальное исследование влияния присадки бария на работу магнитоплазменного двигателя// Вестник МАИ. 2007. т. 14. №1. с. 20-29.
8. Семенихин С.А., Сысоев Д.В., Тихонов В.Б. Диапазон использования внешнего магнитного поля в магнитоплазменном двигателе// Вестник МАИ. 2007. т. 14. №2. с. 3-8.
