Физические положения и основные результаты исследований, определяющие развитие двигателей с замкнутым дрейфом электронов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Рассмотрены результаты многолетних исследований, выполненных в разных организациях СССР и России в процессе разработок двигателей с анодным слоем (ДАС) и стационарных плазменных двигателей (СПД). Используется их общее название «двигатели с замкнутым дрейфом электронов» (ДЗДЭ), поскольку они разработаны на основе плазменных ускорителей ионов с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ). ДЗДЭ прошли достаточно долгий путь развития. В результате СПД стал одним из наиболее широко используемых в космосе электроракетных двигателей (ЭРД) и продолжает развиваться. Разработки ДАС также достигли достаточно высокого уровня и близки к переходу к практическому использованию. Поэтому рассмотрены основные физические положения и результаты исследований, которые определяли прогресс в развитии СПД и ДАС с целью их анализа и обобщения, а также оценки их применимости для дальнейшего развития названных двигателей. Приведена краткая характеристика основных этапов разработки СПД и ДАС и достигнутых на этих этапах результатов. Показано, что основной проблемой их дальнейшего развития является обеспечение как высокой тяговой эффективности, так и большого ресурса. Показано также, что основной фактор, ограничивающий ресурс ДАС и СПД, – попадание ускоренных ионов на элементы их конструкции, поэтому для управления их движением необходимо прежде всего понимать закономерности формирования электрического поля в разрядах ДЗДЭ. Выявлены новые и уточнены известные свойства разряда в ДЗДЭ и закономерности формирования электрического поля в нем, определяющие толщину и положение зоны ускорения с основным падением потенциала в разряде и потоки ускоренных ионов на элементы конструкции двигателя. Рассмотрены и проанализированы успешно апробированные на втором этапе развития СПД и ДАС способы управления толщиной и положением зоны ускорения в ДЗДЭ путем изменения характеристик магнитного поля. Показано, что эти способы позволяют эффективно управлять работой ДЗДЭ и его характеристиками, определены физические условия, обеспечивающих эффективность их применения. Определены физические условия реализации и обоснование целесообразности полного вынесения зоны ускорения из конструкции двигателя как основного направления современного развития ДЗДЭ с учетом результатов анализа свойств разряда и закономерностей формирования электрического поля в ДЗДЭ. Приведены основные выводы по рассмотренным вопросам.

Об авторах

В. П. Ким

Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (национального исследовательского университета) (НИИ ПМЭ МАИ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: riame4@mai.ru
Россия, Москва

А. В. Семенкин

Государственный научный центр Российской Федерации «Исследовательский центр М.В. Келдыша»

Email: riame4@mai.ru
Россия, Москва

Е. А. Шилов

Научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (национального исследовательского университета) (НИИ ПМЭ МАИ)

Email: riame4@mai.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Гришин С.Д., Ерофеев В.С., Жаринов А.В. Плазменные ускорители / Ред. Л.А. Арцимович. М.: Машиностроение, 1973. С. 54.
  2. Есипчук Ю.В. Плазменные ускорители / Ред. Л.А. Арцимович. М.: Машиностроение, 1973. С. 75.
  3. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975. С. 272.
  4. Марахтанов М.К. Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Ред. Н.П. Козлов и А.И. Морозов. М.: Наука, 1984. С. 264.
  5. Козубский К.Н., Мурашко В.М., Рылов Ю.П., Трифонов Ю.В., Ходненко В.П., Ким В.П., Попов Г.А., Обухов В.А. // Физика плазмы. 2003. Т. 29. С. 277.
  6. Kim V., Kozubsky K.N, Murashko V.M., Semenkin A.V. // Proc. 30th Internat. Electric Propulsion Confer. Florence, 2007. Paper IEPC-2007-142.
  7. Ким В.П., Семенкин А.В., Хартов С.А. Конструктивные и физические особенности двигателей с замкнутым дрейфом электронов. М.: МАИ, 2016.
  8. Юшманов E.E. Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций / Ред. М.А. Леонтович. М.: АН СССР, 1958. Вып. 4. С. 235.
  9. Ерофеев В.С., Лесков Л.В. Физика и применение плазменных ускорителей / Ред. А.И. Морозов. Минск: Наука и техника, 1974. С. 18.
  10. Абдюханов В.А., Гришин С.Д., Ерофеев В.С., Жаринов А.В., Лесков Л.В., Ляпин Е.А., Наумкин В.П., Попов Ю.С., Сафронов И.Н. Ускорители ионов с анодным слоем (обзор). М.: ЦНИИМАШ, 1975. С. 5.
  11. Ерофеев В.С., Жаринов А.В., Ляпин Е.А. Плазменные ускорители / Ред. Л.А. Арцимович. М.: Машиностроение, 1973. С. 68.
  12. Гусев Ю.Г., Пильников А.В. // Электронный ж-л “Труды МАИ”. Вып. 60. www.mai.ru/science/trudy.
  13. Solodukhin A.E., Semenkin A.V., Tverdokhlebov S.O., Kochergin A.V. // Proc. 27th Internat. Electric Propulsion Confer. Pasadena, 2001. Paper IEPC-01-32.
  14. Garkusha V.I., Lebedev Y.V., Semenkin A.V., Zakharenkov L.E. // Proc. 29th Internat. Electric Propulsion Confer. Princeton, 2005. Paper IEPC-2005-185.
  15. Semenkin A.V. // Proc. 23rd Internat. Electric Propulsion Confer. Seattle, 1993. Paper IEPC 93-231.
  16. Семенкин А.В. Сборник научных трудов ЦНИИмаш. Королев., 2006. С. 93.
  17. Garkusha V., Kochergin A., Semenkin A. Tverdokhlebov S. // Proc. 25th Internat. Electric Propulsion Confer. Cleveland, 1997. Paper IEPC-1997-106.
  18. Semenkin A., Tverdokhlebov S., Solodukhin A., Zakharenkov L. // Proc. Internat. Electric Propulsion Confer. Florence, 2007. Paper IEPC-2007-128.
  19. Морозов А.И. Исследование стационарного электромагнитного ускорения плазмы: Дис. … д-ра физико-математич. наук. М.: ИАЭ им. И.В Курчатова, 1965.
  20. Морозов А.И. // ДАН. 1965. Т. 163. С. 1363.
  21. Salz А., Meyerand R., Lary E. // Bull. American Phys. Soc. 1962. Ser. 11. V. 8. P. 441.
  22. Seikel G., Reshotko E. // Bull. American Phys. Soc. 1962. Ser. 11. V. 7. P. 414.
  23. Lary C., Meyerand R.G., Glastonbury Jr., Salz F. // USA patent # 3 155 858. Nov. 3, 1964.
  24. Ким В.П. // ЖТФ. 2015. Т. 85. С. 45.
  25. Janes G.S., Dotson J. // Proc. 5-th Sympos. eng. aspects magnetohydrodynamics. Massachusets Inst. Techn., Camdridge, Mass. 1964. P. 235.
  26. Janes G., Lowder R. // Phys. Fluids. 1966. V. 9. P.1115.
  27. Арцимович Л.А., Андронов И.М., Есипчук Ю.В., Барсуков Н.А., Козубский К.Н., Левченко Ю.М., Михайличенко В.А., Морозов А.И., Петров Е.М., Романовский М.К.,, Рылов Ю.П., Снгарский Р.К., Тилинин Г.Н., Трифонов Ю.В., Трофимов А.В., Ходненко В.П., Шаров Ю.А., Щепкин Г.Я. // Космические исслед. 1974. Т. 12. С. 451.
  28. Архипов А.С., Ким В.П., Сидоренко Е.К. Стационарные плазменные двигатели Морозова. М.: МАИ, 2012.
  29. Морозов А.И. Плазменные ускорители / Под ред. Л.А. Арцимовича. М.: Машиностроение, 1973. С. 85.
  30. Морозов А.И., Есипчук Ю.В., Капулкин А.М., Невровский В.А., Смирнов В.А. // ЖТФ, 1973. Т.43. Вып. 5. С. 972.
  31. Ким В.П., Попов Г.А., Шилов Е.А., Козубский К.Н., Приданников С.Ю. // Космическая техника и технологии. 2023. № 4(43). С. 55.
  32. Dan L., Myers R.M., Lemmer K.M., Kolbeck J., Keidar M., Koizumi H., Liang H., Yu D., Schönherr T., del Amo J.G., Choe W., Albertoni R., Hoskins A., Yan Sh., Hart W., Hofer R.R., Funaki I., Lovtsov A., Polzin K., Olshanskii A., Duchemin O. IEPC-2017 // Proc. 35th Internat. Electric Propulsion Confer. Atlanta, 2017. Paper -242.
  33. Абраменков Г.В., Вертаков Н.М., Дронов П.А. Каплин М.А., Приданников С.Ю. // Космическая техника и технологии. 2023. № 4 (43). С. 36.
  34. Демьяненко В.Н., Зубков И.П., Лебедев С.В., Морозов А.И. Препринт ИАЭ. № 2934. М.: ИАЭ, 1967.
  35. Бугрова А.И., Версоцкий В.С., Харчевников В.К. // ЖТФ. 1980. Т. 50. С. 2238.
  36. Бишаев А.М., Ким В.П. // ЖТФ. 1978. Т. 48. С. 1853.
  37. Бишаев А.М., Ким В.П. // Источники и ускорители плазмы. Харьков: ХАИ, 1981. № 5. С. 3.
  38. Ким В.П. // Физика плазмы. 2017. Т. 43. С. 406.
  39. Морозов А.И. // ПМТФ.1968. № 3. С. 19.
  40. Егоров В.В., Ким В.П., Семенов А.А., Шкарбан И.И. Ионные инжекторы и плазменные ускорители / Ред. А.И. Морозов и Н.Н. Семашко. M.: Энергоатомиздат, 1990. С. 56.
  41. Морозов А.И., Есипчук Ю.В., Тилинин Г.Н, Трофимов А., Шаров Ю.А., Щепкин Г.Я. // ЖТФ. 1972. Т. 42. С. 54.
  42. Морозов А.И., Есипчук Ю.В., Капулкин А.М., Невровский В.А., Смирнов В.А. // ЖТФ. 1973. Т. 43. С. 972.
  43. Есипчук Ю.В., Тилинин Г.Н. // ЖТФ. 1976. Т. 46. С. 718.
  44. Тилинин Г.Н. // ЖТФ. 1977. Т. 47. С. 1684.
  45. Белан Н.В., Ким В.П., Оранский А.И., Тихонов В.Б. Стационарные плазменные двигатели. Харьков: ХАИ, 1989.
  46. Бугрова А.И., Ким В.П. Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Ред. Н.П. Козлов и А.И. Морозов. М., 1984. С. 107.
  47. Кim V. // J. Propulsion Power. 1998. V. 14. P. 736.
  48. Приданников С.Ю. Исследование характеристик стационарных плазменных двигателей при длительной работе: Дис. … канд. технич. наук. Калининград: Российский государственный университет, 2003.
  49. Mitrofanova O.A., Gnizdor R.Yu. // Proc. 33rd Internat. Electric Propulsion Confer. Washington, D.C., 2013. Paper IEPC-2013-51.
  50. Ким В.П., Гниздор Р.Ю., Ермошкин Ю.М., Меркурьев Д.В., Приданников С. Ю. // Поверхность. 2018. № 3. С. 18.
  51. Гаркуша В.И., Лесков Л.В., Ляпин Е.А. Плазменные ускорители и ионные инжекторы / Ред. А.И. Морозов, Н.Н. Семашко. М.: Наука, 1984. С. 129.
  52. Ляпин Е.А., Семенкин А.В. Ионные инжекторы и плазменные ускорители / Ред. А.И. Морозов, Н.Н. Семашко. М.: Энергоатомиздат, 1990. С. 20.
  53. Семенкин А.В. // Космонавтика и ракетостроение. М.: ЦНИИМАШ, 2004. Вып. 1(34). С. 5.
  54. Mikellides I.G., Katz I, Hofer R.R, Goebel D.M., de Grys K., Mathers A. // Phys. Plasmas. 2011. V. 18. P. 033501.
  55. Hofer R., Kamhawi H., Herman D., Polk J., Snyder J, Mikellides I., Huang W., Myers J., Yim J., Williams G., Ortega A., Jorns B., Sekerak M., Griffiths Ch., Shastry R., Haag Th., Verhey T., Gilliam B., Katz I., Goebel D, Anderson J., Gilland J, Clayman L. // Proc. 30th Internat. Symp. Space Technology and Science and 34th Internat. Electric Propulsion Confer. and 6th Nano-satellite Symp. Kobe, 2015. Paper IEPC-2015-186 /ISTS-2015-b-186.
  56. Conversano R.W., Goebel D.M., Hofer R.R., Mikellides I.G., Katz I., Wirz R.E. // Proc. 30th Internat. Symp. Space Technology and Science and 34th Internat. Electric Propulsion Confer. and 6th Nano-satellite Symp. Kobe, 2015. Paper IEPC-2015-100/ISTS-2015-b-100.
  57. Ким В.П., Архипов А.С., А. М. Бишаев А. М., Меркурьев Д. В., Сидоренко Е. К. // Физика плазмы. 2014. Т. 40. С. 937.
  58. Lobbia R.B., Ortega A.L., Reilly S., Conversano R.W., Mikellides I.G. // Proc. 36th Internat. Electric Propulsion Confer. Vienna, 2019. Paper IEPC-2019-298.
  59. Морозов А.И. Плазменные ускорители / Ред. Л.А. Арцимович. М.: Машиностроение, 1973. С. 85.
  60. Janhunen S., Smolyakov A., Chapurin O., D. Sydorenko D., Kaganovich I., Raitses Ye. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. P. 011608.
  61. Boeuf P. // Phys. Plasmas. 2019. V. 26. P. 072113. doi: 10.1063/1.510216.
  62. Taccogna F., Garrigues L. // Revs. Modern Plasma Phys. 2019. V. 3. P. 12. doi: 10.1007/s41614-019-0033-113.
  63. Chernyshev T., Krivoruchko D. // Plasma Sources Sci. Technol. 2022. V. 31. P. 015001. doi: 10.1088/1361-6595/ac4179.
  64. Ким В.П., Гниздор Р.Ю., Грдличко Д.П., Меркурьев Д.В., Митрофанова О.А., Смирнов П.Г., Шилов Е.А., Захарченко В.С. // Поверхность. 2018. № 12. С. 101.
  65. Shashkov A.S., Lovtsov A.S. // Proc. 36th Internat. Electric Propulsion Confer., Vienna, 2019. Paper IEPC-2019-392.
  66. Goebel D.N. Hall thruster with magnetic discharge chamber and conductive coatings. US patent No. 10,082,133 B2 dated Sep.25, 2018.
  67. Sekerak M.J., Hofer R., Polk J.E, Jorns B.A, I.G. Mikellides I.G. // Proc. 30th Internat. Symp. Space Technology and Science 34th Internat. Electric Propulsio Confer. and 6th Nano-satellite Symp. Hyogo-Kobe, Japan, 2015. Paper IEPC-2015-155/ ISTS 2015-b-155.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024