В пятом разделе приведены результаты дополнительных патентных исследований по ГОСТ Р 15.011-96. Целью исследования является определение уровня техники гибридных электрореактивных двигателей.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. ОБОБЩЕНИЕ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫПУСК ОТЧЕТНОЙ НАУЧНО–ТЕХНИЧЕСКОЙ

ДОКУМЕНТАЦИИ

Тем не менее, проблема усовершенствования вакуумного выключателя путём создания его гибридных конфигураций являются актуальной [1,2].

Принцип работы такого устройства состоит в использовании дополнительных полупроводниковых диодов, включенных последовательнопараллельно с ВДК. Одной из главных мотиваций для разработки устройств данного типа является сильно пониженное плазмообразование в стадии дугогашение. Данный эффект достигается за счёт перехватывания тока полупроводниковым элементом. В стадии же номинальной работы, когда контакты ВДК замкнуты, ток через полупроводниковые диоды не идёт, предотвращая потери, связанные с большим значением падения напряжения на элементе. Конечным итогом использования гибридного выключателя на основе ВДК и диодов является высокая надёжность выключения и высокий уровень защиты от повторных пробоев.

Другим ожидаемым эффектом внедрения гибридных выключателей является расширение диапазона возможных применений ВДК. К таким возможностям можно отнести, во-первых, инициирование вакуумными выключателями при определенных условиях высокочастотных перенапряжений, воздействующих на главную и продольную изоляцию электротехнического оборудования (трансформаторы, электродвигатели, генераторы, кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена и т.д.), и, во-вторых, отключение токов короткого замыкания (КЗ) значительных величин, использования дополнительных элементов, лишь одной ВДК. Первая из открывающихся возможностей связана с решением проблемы в соотношении скорости восстановления электрической прочности между расходящимися восстанавливающегося напряжения между расходящимися контактами выключателя. Вторая проблема (способность вакуумного выключателя отключать токи КЗ значительных величин) связана с конструкцией вакуумной дугогасительной камеры (КДВ): площади электродов-контактов, состава комбинированного материала контактов и др.

В качестве одного из вариантов повышения величин отключаемых токов КЗ вакуумными выключателями рассматривается применение вакуумного комбинированного выключателя, в котором параллельно контактам выключателя подключается полупроводниковый (тиристорной) блок (ПБ), принимающий на себя основную функцию по отключению токов КЗ. При этом следует отметить косвенно появляющийся положительный момент – высокочастотных перенапряжений, возникающих при определенных условиях за счет повторных зажиганий дуги в вакуумной дугогасительной высокочастотных перенапряжений. Такой режим горения сильноточной вакуумной дуги до настоящего времени не исследовался, несмотря на его практическую привлекательность. Причина этого состоит в высокой рыночной стоимости силовой полупроводниковой электроники. Однако полупроводниковой элементной базы, что делает предлагаемые исследования актуальными для практического использования в силовой коммутирующей аппаратуре распределительных сетей среднего класса напряжений.

Комбинированный выключатель с полупроводниковым блоком, по сути, является аппаратом с управляемой коммутацией. Использование же управляемой коммутации высоковольтных выключателей может оказаться эффективным как при включении, так и при отключении сильно нагруженных цепей. В рабочих режимах при управляемом включении существенно уменьшаются броски тока, а при управляемом отключении снижается вероятность повторных пробоев и, как следствие, снижается уровень перенапряжений.

Помимо коммутации больших токов, характерных, например, для генераторных потребителей, управляемая коммутация представляет большой интерес и для коммутации конденсаторных батарей. В последнем случае оптимальным моментом для включения является момент, когда разность между напряжением на КБ и напряжением сети, т.е. на разрыве коммутатора, равна нулю. Чем дальше момент включения от нулевого значения напряжения на разрыве, тем выше броски тока. Поэтому аппараты с управляемой коммутацией должны иметь очень стабильные времена включения и времена отключения. Разработка для этих целей электромеханических выключателей с точностью включения-отключения не хуже, чем ± 1 мс, и повышенной электрической прочностью сталкивается с рядом существенных трудностей.

Значительно уменьшить абсолютное время коммутации, а также разброс времени включения и отключения относительно нуля тока, можно путем использования комбинированных коммутационных устройств управляемой коммутации, содержащих мощные полупроводники (диоды, тиристоры и т.п.) и механические коммутационные аппараты (например, вакуумные выключатели). В таком устройстве операции включения и отключения осуществляются в полупроводниковом блоке при смене полярности.

Механические аппараты обеспечивают длительное пропускание тока после включения устройства без существенных энергетических потерь и требуемую электрическую прочность после отключения тока. При этом требования к разбросу времени замыкания и размыкания контактов механических аппаратов становятся менее жесткими. Однако в настоящее время практически отсутствуют данные для адекватного описания совместной работы полупроводникового блока и механических коммутационных аппаратов во время переходных процессов, особенно при восстановлении их электрической прочности, что препятствует выбору эффективной схемы устройства и оптимизации параметров его основных элементов.

Стоит отметить, что практическая реализация создания и внедрения в эксплуатацию вакуумного комбинированного выключателя (ВКВ) связана (с нашей точки зрения) с определенными трудностями, основные из которых следующие:

обеспечение надежной эксплуатации сложного комбинированного коммутационного механизма в целом и сопряжение работы отдельных его узлов (управление ПБ, контактов КДВ, механического привода и т.д.);

экономическая целесообразность (эффективность) создания ВКВ, определяемая соотношением стоимости изготовления традиционного вакуумного выключателя с КДВ, способной отключать большие токи КЗ, и стоимости изготовления ВКВ, включающей ПБ и КДВ на меньшие токи конструктивные габаритные размеры ВКВ должны вписаться в объем существующих и разрабатываемых ячеек подстанций сетей различного назначения;

принципиальная возможность создания ПБ, способного отключать токи КЗ с реальными скоростями отключаемого тока (с учетом апериодической составляющей), протекающею через тиристоры и выдерживающего в запертом состоянии приложенное обратное напряжение, а если быть точнее, то скорости собственного переходного восстанавливающегося напряжения (СПВН).

Выпускаемые в настоящее время тиристоры выдерживают: скорость нарастания тока в диапазоне 0,2...0,5 кА/мкс скорость нарастания напряжения на тиристоре в запертом состоянии 0.5....1.0 кВ/мкс.

Кратко принцип работы предлагаемого комбинированного выключателя при отключении токов КЗ (или номинальных токов) состоит в следующем:

выключателя. I – полупроводниковый блок, 2 – контакты полупроводникового блока, 4 – контакты ВДК, 3 и 5 – приводы контактов полупроводникового блока и ВДК, 6 – блок управления.

Условно считаем, что слева от комбинированного выключателя расположен источник питания (генератор, трансформатор, сборные шины и т.д.), справа - отключаемая сеть различного назначения.

В нормальном режиме работы сети состояние комбинированного выключателя следующее: контакты 4 – замкнуты, а контакты 2 разомкнуты.

При возникновении в сети КЗ с блока управлении подается сигнал на полупроводниковый блок, который с помощью контакта 2 подключается параллельно контактам 4 ВДК. Полагая в первом приближении, что сопротивления ПБ и ВДК приблизительно равны друг другу, по каждой из двух параллельных цепей, образованных ПБ и ВДК, протекает по 50 % отключаемого тока, т.е. подключением ПБ снизили величину отключаемого тока КЗ на контактах 4 ВДК в два раза. Далее подаем сигнал на отключение контактов 4 ВДК, контакты начинают расходиться - образуется дуга (дуги) между контактами, что приводит к росту сопротивления в этой цепи протекания тока и, как следствие, к перераспределению отключаемого тока: в цепи контактов 4 ток уменьшается, а в цепи контактов 2 отключаемый ток увеличивается. При достижении определенного расстояния между расходящимися контактами 4 дуга между ними гаснет, и весь отключаемый ток переходит в цепь полупроводникового блока. В этом случае падение напряжения между расходящимися контактами 4 очень мало (практически равно нулю) и предпосылок для возникновения повторных зажиганий на контактах ВДК нет (высокочастотные перенапряжения не инициируются).

Далее при подаче сигнала на ПБ (смене полярности отключаемого тока через половину периода промышленной частоты) полупроводниковый блок запирается и отключает «полный» ток КЗ (или номинальный ток).

5.1.2. Оценка уровня техники плазменных двигателей и сопоставление лазерно-плазменных и электрореактивных двигателей 5.1.2.1. Предыстория электрических ракетных двигателей Развитие науки и техники электрического ускорения тел в свободном пространстве можно условно разделить на пять этапов [3]: 1) эпоха мечтателей: 1906–1945 гг.; 2) эпоха пионеров: 1946–1956 г..; 3) эпоха диверсификации идей и развития: 1957–1979 гг.; 4) эпоха внедрения в область практического использования: 1980–1992 гг.; 5) эпоха масштабного применения: 1993 г. – настоящее время.

Идея использования заряженных частиц для ускорения аппаратов в космосе была впервые опубликована Циолковским в 1911 (переиздано в [4]).

При этом, как и многое из трудов Циолковского, идея касалась перспективы, весьма далёкой даже для нашего времени, поскольку речь шла об использовании электронов в качестве рабочего тела благодаря возможности их ускорения до субсветовых скоростей. Более актуальными для нашего времени явились работы Годдарда. Прежде всего, им запатентован источник газоразрядной плазмы [5] и, главное, способ и устройство (рис. 2) для ускорения «электрифицированного газа» (плазмы) [6], одним из применением которого, согласно патенту, является обеспечение тяги для ускорения аппарата в свободном пространстве. По принципу действия предложенный Годдардом двигатель представлял собой электростатический ускоритель ионов.

Идея электростатического двигателя была развита Кондратюком [7], предложившим в 20-х годах прошлого столетия принцип космического двигателя, основанный на электростатическом ускорении заряженных капель, что явилось, по сути, рождением коллоидного двигателя. Кроме того, ему принадлежит идея использования солнечной энергии для питания электрических ракетных двигателей (ЭРД) в космосе.

Никто из мыслителей и инженеров эпохи мечтателей не рассматривали ЭРД всерьёз, поскольку для того времени проблема производства электрической энергии в космосе стояла намного более серьёзно, чем её утилизация для создания тяги. Эта проблема была впервые поставлена и концептуально решена Глушко [8], предложившим использовать термоэлементы для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Кроме того, анализируя работы Годдарда в области создания тяги эффективности электростатического ускорения ионов, извлекаемых из слабоионизованной плазмы. Им было показано, что решающим условием для одновременного формирования и большой скорости, и большой массы плазменной струи следует увеличивать энеговклад в вещество. Работая в данном направлении, Глушко пришёл в конце 20-х годов к прототипу электровзрывного двигателя, выполненного конструктивно подобно стандартному химическому ракетному двигателю (рис. 3). Вместо Рис. 2. Конструкция первого плазменного двигателя, основанного на электростатическом ускорении ионов плазмы (1920 г.).

двухкомпонентного химического топлива предполагалось использовать плазму взрывающихся металлических проводников, подаваемых в камеру сгорания либо в виде проволоки, либо в виде тонкой жидкой струи. Согласно расчётам, такой двигатель мог обеспечивать большие скорости истечения плазмы (до 100 км/с), но при этом требовалось громоздкое электропитание двигателя, несовместимое в то время с испытанием двигателя на орбите в космосе. С другой стороны, этот принцип не лишён смысла, если рассматривать достаточно большие космические аппараты, оснащённые солнечными элементами большой площади.

Рис. 3. Экспериментальный образец электрореактивного двигателя В.П.

Глушко, 1933 г.

Прогресс в разработке эффективных и компактных источников электроэнергии позволил в 50-е годы по-новому взглянуть на ЭРД как на перспективный источник движения в космосе. Этому способствовал также успех в исследованиях плазмы и создании плазменных ускорителей, в том числе и для целей управляемого термоядерного синтеза. С конца 50-х и начала 60-х годов начинается интенсивный прогресс в исследованиях ускорения плазмы и разработке ЭРД, основанных на электромагнитном ускорении плазмы, достигаемом с использованием различных способов.

5.1.2.2. Ионно-плазменные ракетные двигатели Простейший ионный двигатель, предложенный Годдардом [6], был реализован и исследован в лабораторных условиях в 1958 г. [9]. С использованием горячей (900°С) вольфрамовой пластины ионизовались пары цезия, что при ускоряющем напряжении порядка 3 кВ обеспечивало ионный ток 70 мА. Макет двигателя обеспечивал тягу 5 мН при скорости истечения ионов 70 км/с.

Позднее, в 60-х годах, в результате исследований был разработан и испытан (1966 г.) в суборбитальном полёте опытный образец ионного двигателя [10], работающий при ускоряющем напряжении 2.8 кВ, в котором плазма генерировалась за счёт газового разряда низкого давления. На этом образце была реализована также эффективная нейтрализация ионного пучка с использованием газоразрядного источника электронов, что также было инновационным решением по сравнению с нейтрализатором на основе раскалённой спирали.

Развитие плазменных двигателей в СССР и в США шло параллельно, и не всегда возможно определить, какая из сторон имела преимущество, за исключением холловских двигателей, в разработке и использовании которых СССР имел очевидное преимущество до начала 90-х годов. Принцип действия холловского двигателя основан на ускорении ионов в скрещенных электрических и магнитных полях. За счёт радиальной конфигурации магнитного поля (рис. 4) электроны оказываются замагниченными, что обеспечивает эффективную ионизацию рабочего вещества (как правило, электростатического двигателя FT зависит от извлекаемого из ускорителя ионного тока Iib и ускоряющего напряжения Va следующим образом [11]:

где Mi – масса ионов, Ze – заряд ионов. Таким образом, в условиях фиксированной мощности источника P = IibVa = const представляется более выгодным увеличивать ток, чем напряжение. Тем более что высокое напряжение может привести к проблемам, связанным с нарушением электрической изоляции, а высокая энергия ионов увеличивает эрозию электродов и снижает ресурс двигателя. Но, с другой стороны, работа двигателя на низких напряжениях снижает предельную скорость, до которой можно ускорить аппарат, а также снижает эффективность двигателя вследствие уширения плазменного факела и потери тяги за счёт радиальной составляющей импульса ионов. В используемых на практике холловских двигателях энергии ионов составляют единицы кВ и ионные токи единицы А.

Кроме электростатического в ЭРД используется также магнитное ускорение плазмы, реализованное в рельсотронах и коаксиально-торцевых ускорителях плазмы. В двигателях такого типа ускорение плазмы осуществляется за счёт давления магнитного поля в контуре с током разряда.

Работа торцевого ускорителя схематически показана на рис. 5. В стадии пробоя (а) формируется плазменный канал, разгоняемый впоследствии (б) магнитным полем за счёт протекания тока разряда. При этом создаётся тяга [10]:

где I – ток разряда, r2, r1 – радиусы проводников коаксиальной линии. В качестве рабочего тела в ЭРД данного типа могут быть использованы как тяжёлые газы, так и твёрдые диэлектрики.

Рис. 4. Принцип действия холловского плазменного ускорителя с азимутальным дрейфом электронов.

Рис. 5. Принцип действия коаксиально-торцевого плазменного ускорителя в стадии инициирования разряда (а) и ускорения плазмы (б).

Двигатели на основе плазменных ускорителей обладают высокой эффективностью и способны развивать большую тягу просто за счёт увеличения электрической мощности двигателя. Однако при попытке миниатюризации двигателя с целью создания малой тяги, что особенно актуально для ориентации малых им сверхмалых космических аппаратов, возникают непреодолимые проблемы из-за существования пороговых значений токов и напряжений, необходимых для горения разряда. Это обстоятельство накладывает ограничение на минимальный импульс отдачи двигателя и, кроме того, делает нестабильной работу двигателя при приближении к пороговым режимам. Для ЭРД не удаётся достичь значений минимального импульса отдачи ниже 10 мкН с [11]. В этой связи представляет интерес рассмотреть жидкометаллический источник ионов, Функционирование источников данного типа основано на автоионной эмиссии с вершины конуса Тейлора (рис. 6). Параметры источника [12] приведены в таблице 1.1. В качестве рабочего вещества использовался жидкий индий. Ионный источник работал при ускоряющем напряжении от до 10 кВ, при этом ток изменялся в пределах 10 600 мкА. С учётом формулы (1) можно ожидать, что тяга такого двигателя лежит в пределах 1 90 мкН. В действительности, тяга двигателя ниже потенциальной способности эмиттера, особенно при больших токах ионной эмиссии.

Основной причиной потерь является рост расходимости ионного пучка с ростом тока эмиссии (рис. 7) вследствие действия пространственного заряда пучка.

Рис. 6. Принцип действия жидкометаллического источника ионов.

Таблица 1.1. Параметры автоионного двигателя [12].

Точность установки 0,01 мкН тяги Нестабильность тяги 0,15 мкН за время измерения 1000 с Минимальный импульс 0,005 мкН с отдачи Общий импульс отдачи 600 Н с для запаса рабочего тела 30 г Доля однозарядных 98% ионов Мощность источника 13 Вт питания Рис. 7. Распределения плотности тока по углу при различных токах эмиссии жидкометаллического источника ионов (а) и зависимость расходимости ионного пучка от тока эмиссии (б) по данным [12].

Асимптотика расходимости при токах свыше 400 мкА связано с диафрагмированием пучка.

Другим источником потери рабочего тела является эмиссия капель, обладающих относительно низкой скоростью. Доля массы, уносимой каплями, растёт с увеличением тока, и также растёт угол разлёта капель (рис.

8). Это связано с ростом интенсивности эмиссии капель при увеличении тока [13], причём, генерация капель является наиболее интенсивной на боковой поверхности. Одной из причин интенсификации эмиссии капель является рост энергии звуковых колебаний в жидком металле, генерируемых в зоне эмиссии на вершине конуса Тейлора [14].

Жидкометаллический источник ионов даёт возможность использования рабочего тела в предельно компактном виде – в конденсированном состоянии вещества. При этом подача рабочего тела (жидкого металла) не требует использования специальных приспособлений (насосов, клапанов и пр.), а осуществляется за счёт высокого напряжения, используемого для ускорения ионов. На рисунке 9 приведены примеры эмиттера, совмещённого с резервуаром рабочего тела.

Рис. 8. Распределение плотности эмиссии капель по углу для различных токов полевой ионной эмиссии [12].

Рис. 9. Эмиттеры ионов индия, совмещённые с резервуарами рабочего тела [12].

5.1.2.3. Лазерно-плазменные ракетные двигатели В основе лазерно-плазменного двигателя (ЛПД) лежит явление светоабляционного давления, обнаруженное благодаря лазерам и впервые [15] описанное в 1962 г. Давление в плазме, создаваемое при лазерной абляции, приводит к высоким скоростям истечения вещества. К сожалению, научный приоритет не был использован национальной научной школой для утверждения технического приоритета, и первый патент ЛПД, базирующегося на летательном аппарате и использующего явления лазерной абляции для создания тяги, принадлежит США [16]. Принцип действия предложенного ЛПД представлен на рисунке 10 и, по сути, является прототипом для практического всех ЛПД, основанных на абляции мишени из конденсированного вещества.

Рис. 10. Конструкция первого лазерно-плазменного двигателя, основанного на принципе абляции твердотельной мишени (1962 г.).

Практическая реализация подобного двигателя в 60-х годах прошлого столетия была невозможна, поскольку лазерная техника была громоздкой и низкоэффективной. Именно поэтому основное направление научных технических изысканий, связанных с использованием лазерного излучения для создания тяги, касалось схем, подразумевающих неподвижные лазерные установки, разгоняющие летательные аппараты [17], и для целей данного обзора не представляющие интереса. Ситуация изменилась в 90-х годах, когда были разработаны высокоэффективные лазерные светодиоды, позволившие в дальнейшем создать твердотельные лазеры с эффективностью преобразования электрической энергии в энергию излучения 40–60%. Данное обстоятельство сделало идею практического использования лазерноплазменного двигателя актуальной.

Принцип действия ЛПД основан на поглощении энергии лазерного излучения конденсированным веществом мишени при условии, что удельный энерговклад, in (Дж/кг), значительно превосходит теплоту сублимации мишени vapor, что приводит к интенсивному испарению вещества. При больших интенсивностях лазерного излучения процесс испарения сопровождается ионизацией вещества, что приводит к абсорбции лазерного излучения свободными электронами. При достижении концентрации плазмы показатель преломления плазмы становится мнимым, что означает полную непрозрачность среды. Дальнейшее лазерное излучение в течение импульса полностью поглощается плазмой, что приводит к её нагреву и, следовательно, увеличению скорости истечения плазмы. Такой режим воздействия лазерного излучения получил название плазменного режима [18]. При плазменном режиме лазерной абляции увеличение длины волны излучения удлиняет стадию испарения материала мишени и позволяет достичь больших значений темпа уноса массы m. Но, с другой стороны, это требует большей плотности мощности для нагрева плазмы излучением с целью достижения больших значений скорости истечения плазмы ex. При этом следует учитывать, что испарённое вещество разлетается в некоторый телесный угол, много больший угла схождения лазерного луча. В этой связи задача повышения эффективности ЛПД, работающего в плазменном режиме абляции, должна решаться путём поиска оптимума с точки зрения размера фокального пятна в зависимости от характеристик материала мишени и параметров лазерного излучения. В частности, при длительности импульса лазерного излучения 5 нс нецелесообразно уменьшать радиус фокального пятна до значений менее 50 мкм, поскольку за время в единицы наносекунд можно ожидать, что плазма в радиальном направлении разлетится на расстояния в десятки микрометров.

При длительностях лазерного импульсов, лежащих в пикосекундном и фемтосекундом диапазонах, вся энергия излучения поглощается конденсированным веществом мишени. Такой режим назван испарительным, поскольку для него характерна меньшая степень ионизации плазмы, определяемая спонтанной ионизацией плотного пара. Средняя скорость разлёта испарённого материала полностью определяется энерговкладом и вычисляется как [19] Испарительный режим не является актуальным в настоящей работе.

Теоретический анализ параметров ЛПД в зависимости от режима лазерной абляции детально изложен в [18].

Для практического воплощения идеи ЛПД потребовалось решение проблемы эрозии материала мишени, поскольку формирование эрозионного кратера неминуемо приводит к «уходу» поверхности мишени из фокального пятна. Эта проблема была решена Фиппсом путём использования ленты с лентопротяжным механизмом (рис. 11) [20]. Патент Фиппса предполагает использование ленты, как на отражение, так и на прострел. При использовании ленты на прострел предполагается, что лента прозрачна (или почти прозрачна) для лазерного излучения. Безусловно, прозрачность ленты не равна строго 1, и некоторые потери неизбежны. Но, тем не менее, на практике были реализованы прототипы двигателей по схеме Фиппса, работающие на прострел мишенной ленты, поскольку именно эта схема обеспечивает защиту фокусирующей линзы от запыления продуктами абляции. ЛПД по схеме Фиппса был реализован во многих экспериментах, в том числе и орбитальных [21]. Коэффициент передачи импульса при использовании пассивной мишени (как правило, лента из поливинилхлорида) не превосходил 30% максимального значения, равного 2/g0, что значительно уступает показателям автоионных двигателей (см. табл. 1.1). Улучшить показатели ЛПД с точки зрения эффективности преобразования энергии удалось путём использования мишени с активным наполнителем, обеспечивающим дополнительную тягу за счёт химического горения ограниченной порции мишени (рис. 12).

Главной сложностью и потенциально слабым местом при использовании ЛПД на основе твёрдой мишени (ленты) является необходимость механизма перемещения мишени. Пример такого двигателя с вращающимся мишенным диском приведён на рисунке 13 [22]. В качестве мишени и её привода использован жёсткий диск компьютера. Двигатель работает в режиме отражения. В качестве рабочего тела использовалось золотое либо алюминиевое покрытие диска.

Рис. 11. Конструкция первого лазерно-плазменного двигателя Фиппса [22], основанного на мишени в виде прозрачной ленты 12 с нанесённым непрозрачным слоем 13. ЛПД работает в режиме на отражение (FIG. 1A) и на прострел (FIG. 1B) мишени. 18 – плазменный факел, 14 – направление вектора тяги.

Рис. 12. Показатели эффективности ЛПД, реализованных [21] по схеме Фиппса [20].

Рис. 13. Конструкция лазерно-плазменного двигателя Фиппса с дисковой мишенью [20], используемого в стендовых испытаниях.

Измеренные параметры ЛПД [22] приведены в таблице 1.2. Обращает на себя внимание неточность данных, свидетельством которой является значение эффективности абляции AB, превышающее 100%. Тем не менее, приведённые в таблице 1.2 данные, как и данные рисунка 12, можно рассматривать как сравнительную информацию для анализа эффективности новых разрабатываемых ЛПД.

В качестве мишени была использована также и лента с лентопротяжным механизмом [21,23]. Пример реализации лентопротяжного ЛПД приведён на рисунке 14 для пассивного рабочего тела (а, ПВХ), так и химически активного (б), обеспечивающего AB выше 100% за счёт несамостоятельной химической реакции в мишени, инициируемой лазерным излучением.

Эффективность ЛПД, работающего в плазменном режиме абляции, как отмечалось выше, определяется балансом между процессом испарения мишени и последующей ионизацией и нагревом испарённого вещества этим же лазерным излучением. В фазе нагрева плазмы энергия в мишень передаётся опосредованно плазмой. В результате воздействия плазмы на мишень осуществляется преобразование энергии лазерного излучения в кинетическую энергию тела. В этом сценарии нельзя беспредельно наращивать плотность мощности лазерного излучения, т.к. по мере нагрева плазмы факела всё большая доля энергии будет тратиться на излучение плазмы. Таким образом, должен существовать оптимум в зависимости эффективности преобразования энергии Cm от плотности мощности на мишени, который наблюдался рядом исследователей [22,24] в области Вт/см2 (рис. 15).

Таблица 1.2. Параметры ЛПД Фиппса с дисковой мишенью, измеренные на стенде [22].

(мДж) имп. (Гц) пятна на мишени (мкм) импульса (нс) мишени (Дж/см2) на мишени (Вт/см2) максимуму ионного тока Рис. 14. Конструкции лазерно-плазменного двигателя Фиппса с ленточными мишенями [21], пассивной (а) и активной (б).

Рис. 15. Зависимость параметров ЛПД от плотности мощности лазерного излучения длительностью порядка 5 нс на мишени [22].

При этом, руководствуясь критерием достижения оптимальной плотности мощности на мишени, следует учитывать, что диаметр фокального пятна не должен быть много меньше радиуса разлёта плазменного факела за время длительности импульса лазерного излучения, иначе значительная доля продуктов абляции не испытает требуемого нагрева лазерным излучением.

Так, например, при длительности лазерного излучения 5 нс и скорости разлёта плазмы вдоль поверхности катода 12 км/с ожидаемый оптимальный радиус фокального пятна должен быть порядка 50 мкм.

5.1.2.4. Сравнение лазерно-плазменных двигателей с электрическими двигателями Эффективность передачи электрической (электромагнитной) энергии в кинетическую энергию ускоряемого тела, а также скорость истечения рабочего тела, являются главными параметрами, определяющими область использования и перспективность ракетного двигателя. В этой связи представляется интересным сравнить различные типы двигателей в виде диапазона достигнутых параметров на зависимости Cm от Isp. Такое сравнение представлено на рисунке 16 в виде условных (не точных) областей.

Диаграмма построена на основе данных [21-23,25].

Рис. 16. Сравнение диапазонов параметров плазменных двигателей различных типов на основе литературных данных [21-23,25]. Сплошная линия соответствует функции Cm Isp = 2 /g0.

Из анализа диаграмм на рисунке 16 видно, что в настоящее время ЛПД значительно уступают двигателя других типов, особенно автоионным жидкометаллическим двигателям. Данная ситуация связана не с потенциальными ограничениями принципа построения ЛПД, а с недостаточной оптимизацией двигателя в целом, включая параметры лазерного излучения, оптической схемы и мишени. В частности, для наносекундного лазера, обеспечивающего плазменный режим абляции, должны быть выполнены следующие условия:

1) Плотность мощности на мишени должна соответствовать оптимальному значению порядка 1010 Вт/см2.

Радиус фокального пятна rf должен соответствовать условию rf r, где r – скорость расширения плазменного факела в радиальном направлении, – длительность импульса лазерного излучения.

3) Доля капельной фракции должна быть минимизирована геометрией зоны 5.1.3. Выводы по разделу 5. 5.1.3.1. Гибридный вакуумный выключатель Объектом дальнейших исследований может быть комбинированное коммутационное устройство. Такое устройство должно содержать в своём составе механический коммутационный аппарат и полупроводниковый блок, соединённые параллельно. В качестве механических аппаратов предлагается использовать коммутационные аппараты, содержащие ВДК. Для разработки экспериментального ВКВ необходимо выполнение следующих работ:

1. Определение динамических ВАХ в переходные периоды.

2. Формулировка технические требования к полупроводниковому блоку ВКВ для сетей различного назначения:

- распределительных сетей (кабельных, воздушно-кабельных);

- сетей собственных нужд электрических станций;

- сетей передвижных электрических станций (объектов нефтегазового комплекса);

- сетей крупных промышленных предприятий;

- сетей насосно-фильтровальных станций.

3. Определение времени переходных периодов ВКВ на опытной установке.

4. Определение требований к блоку управления ВКВ с управляемой коммутацией.

5. Анализ полученных результатов и определение возможности разработки ВКВ с управляемой коммутацией при современном состоянии техники.

6. Подготовка проекта технических требований к ВКВ.

5.1.3.2. Гибридный плазменный двигатель Принципы работы электрореактивных двигателей и ЛПД позволяют их совмещение в едином комбинированном двигателе. Более подробно данный вопрос анализируется в разделах 5.2 и 5.5.

5.2. Разработка Технического задания на НИОКР по разработке и созданию экспериментального образца мишенно-соплового узла лазерно-плазменного микродвигателя малых космических аппаратов Тема работы: «Разработка научно-технических основ и экспериментального образца комбинированного плазменного двигателя, использующего жидкий металл в качестве рабочего тела и сочетающего в себе различные принципы электрореактивных двигателей»

двигателей, основанных на принципах плазменных ускорителей, за счёт расширения диапазонов их параметров, в частности:

1) Снижение массы двигателей.

2) Повышение точности установки значения импульса, передаваемого ускоряемому телу.

3) Значительное снижение эрозии конструкционных и функциональных элементов, имеющих контакт с плазмой.

Необходимость выполнения предлагаемых работ Актуальность проекта Двигатель – сердце любого транспортного средства, включая космические аппараты. В этой связи научные исследования и разработки, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик двигателей, всегда будет задачей первостепенной важности.

Для ускорения и ориентации космических аппаратов в космосе одними из наиболее эффективных являются электрореактивные двигатели, реализующие принципы плазменно-ионных ускорителей.

Описание решаемых проблем, поставленной задачи и предлагаемых подходов к её решению Проект направлен на поиск путей решения следующих проблем электрореактивных плазменно-ионных двигателей:

1. Повышение эффективности двигателей.

2. Повышение стабильности работы двигателя на малых тягах, что необходимо для более точного позиционирования космического аппарата.

3. Увеличение срока эксплуатации двигателей.

Данные проблемы предполагается решать в комплексе за счёт совмещения нескольких принципов ускорения ионов в рамках одного использование жидкого металла с относительно низкой температурой плавления (висмут, индий, галлий) в качестве вещества для рабочего тела.

Концепция двигателя, на разработку которого направлены заявляемые исследования, является новой.

Для решения проблем предполагается реализация следующих подходов:

конденсированного вещества большой плотности (жидкий висмут, индий, необходимость использования резервуара газа. Идея использования металла в качестве рабочего тела родилась давно (L.A. Gomilka, A.I. Zemskov, L.N.

Lesnevskii, and A.D. Pavlov, “A study of the plasma pulsed accelerator with the metallic propellants”, 24th IAF International Astronautical Conference, Baku, Azerbaidzhan SSR. Oct., 1973) и продолжает быть актуальной. Для практической реализации данного подхода жидкий металл имеет явное преимущество за счёт предельной простоты его доставки (капиллярные явления) в область генерации плазмы. Эффективность использования металла в качестве рабочего тела продемонстрирована, в частности, в экспериментах по лазерной абляции (работа S.A. Popov, A.N. Panchenko, A.V.

Batrakov, F.N. Ljubchenko, V.V. Mataibaev. Experi-mental Study of the Laser Ablation Plasma Flow From the Liquid Ga–In Target // IEEE Trans. Plasma Sci.vol. 39.- issue 6.- pp. 1412-1417, выполненная совместно ИСЭ СО РАН и ЦНИИмаш), в которых для восстановления поверхности мишени с частотами следования лазера в сотни герц не требовалось использования дополнительных мер, кроме действия капиллярных сил.

2) Повышение точности задания значения импульса, передаваемого ускоряемому телу, за счёт понижения порога минимальной тяги, что обеспечивается использованием дополнительного ускорителя ионов, основанного на полевой ионной эмиссии с поверхности жидкого металла.

При этом этот же ускоритель ионов может быть использован в качестве источника электронов для нейтрализации пучка при работе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов. Использование автоинной эмиссии в космических двигателях является перспективным направлением, поскольку именно эти двигатели являются рекордсменами по многим параметрам, включая удельный импульс (например: M. Tajmar, A. Genovese, W. Steiger.

Indium FEEP Microthruster Experimental Characterization // AIAA Journal of Propulsion and Power.- 2004.- Vol. 20.- No. 2.- pp. 211-218). Новым в настоящем проекте является интегрирование данного ионного источника в комплексное устройство, а также его использование как в режиме ионной миссии, так и в режиме источника электронов для нейтрализации ионного пучка. В рамках комплексного устройства предполагается использование нескольких автоионных источников.

3) Значительное снижение эрозии электродов за счёт использования пористого материала, пропитанного рабочим телом, в качестве конструкционного материала. При этом в процессе эрозии происходит унос преимущественно жидкого металла, что позволяет сохранять геометрию конструкционных элементов. Одновременно конструкционные элементы играют роль дополнительных резервуаров рабочего тела. По сути, эрозия остаётся, но осуществляется за счёт уноса жидкого металла, и вместо изменения геометрии элементов происходит опорожнение внутренних полостей, заполненных жидким металлом. Данный принцип известен и используется в конструкции электродов электрореактивных двигателей (например: Polzin, Kurt A.; Markusic, Thomas E. Galium Electromagnetic (GEM) Thruster Concept and Design // Joint Propulsion Conference; 53rd JPM/2nd LPS/SP Joint Meeting; 11-13 Jul. 2005; 5-8 Dec. 2005; Tucson, AZ;

Monterey, CA). Новым в концепции двигателя будет использование пористого металла, пропитанного жидким металлом (рабочим телом), не только при изготовлении электродов, но и внутренних стенок генератора плазмы. Данная мера позволит не только контролировать эрозию поверхности, но и снижать эрозионные потери за счёт абсорбции продуктов эрозии внутренними стенками.

Краткая характеристика работы Объектом исследования НИР является комбинированный источник ионов, извлекаемых из плазмы и ускоряемых для создания реактивной тяги в вакууме. При этом веществом, используемым для генерации плазмы, является жидкий металл.

В процессе выполнения НИР будут решены следующие проблемы:

1) Снижение массы двигателя за счёт использования конденсированного вещества большой плотности (жидкий висмут, индий и/или галлий) в качестве рабочего тела, что исключает необходимость использования резервуара газа.

2) Повышение точности задания значения импульса, передаваемого ускоряемому телу, за счёт понижения порога минимальной тяги, что обеспечивается использованием дополнительного ускорителя ионов, основанного на полевой ионной эмиссии с поверхности жидкого металла. При этом этот же ускоритель ионов может быть использован в качестве источника электронов для нейтрализации пучка при работе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов.

3) Значительное снижение эрозии электродов за счёт использования пористого материала, пропитанного рабочим телом, в качестве конструкционного материала. При этом в процессе эрозии происходит унос преимущественно жидкого металла, что позволяет сохранять конструкционные элементы играют роль дополнительных резервуаров рабочего тела. По сути, эрозия остаётся, но осуществляется за счёт уноса жидкого металла, и вместо изменения геометрии элементов происходит опорожнение внутренних полостей, заполненных жидким металлом.

Решение данных проблем позволит существенно улучшить эксплуатационные характеристики электрореактивных двигателей.

Характеристика ожидаемого народно-хозяйственного эффекта В результате выполнения планируемых исследований будут найдены подходы, позволяющие реализовать принцип совмещения различных методов ускорения ионов плазмы в одном устройстве (двигателе), основанном на использовании жидкого металла в качестве вещества для генерации металлической плазмы (рабочего тела). Планируется постановка ОКР на разработку технической документации и опытного образца нового двигателя с существенно улучшенными характеристиками и расширенным диапазоном рабочих параметров.

Планируемые научно-технические результаты Описание планируемых результатов 1. Способ генерации металлической плазмы за счёт импульснопериодического горения электрического разряда в коротком вакуумном промежутке, образованном пористыми металлическими электродами, пропитанными жидким металлом.

2. Способ совмещения различных принципов ускорения ионов плазмы в едином электрореактивном двигателе.

2. Лабораторный образец электрореактивного двигателя и результаты его испытания в условиях лабораторного вакуума.

Предпосылки для успешного завершения работ (реальность получения ожидаемого научно-технического результата) Для выполнения проекта предполагается создание консорциума в составе:

1. ИСЭ СО РАН, г. Томск 2. ЦНИИмаш, г. Королёв.

3. НИ ТПУ, г. Томск Приборные базы:

1. Томский региональный центр коллективного пользования ТНЦ СО РАН http://www.ckp-rf.ru/ckp/3058/ 2. Центр коллективного пользования Учреждения российской академии наук Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН http://www.ckp-rf.ru/ckp/76884/ 3. Научно-аналитический центр http://www.ckp-rf.ru/ckp/3139/ Описание потенциальных потребителей научного результата Какие организации потенциально могут выполнить предлагаемые работы Для выполнения проекта предполагается создание консорциума в составе:

4. ИСЭ СО РАН, г. Томск 5. ЦНИИмаш, г. Королёв.

6. НИ ТПУ, г. Томск 5.3. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс Программы внедрения результатов НИР по ГК № 14.740.11.0317 по теме «Развитие диагностического комплекса на базе НОЦ «Сильноточная электроника» в ИСЭ СО РАН и проведение исследований по диагностике плазмы дуги в вакуумных сетевых выключателях и плазмы лазерной абляции жидкометаллической мишени в лазерно-плазменных двигателях малых космических аппаратов» в образовательный процесс Результаты данной НИР будут внедрены в образовательный процесс подготовки специалистов высшей категории в Институте физики высоких технологий Национального исследовательского Томского политехнического университета (ИФВТ НИ ТПУ). Кроме того, результаты данной НИР могут быть использованы с целью повышения квалификации специалистов, выполняющих научные и инженерные разработки в области генерации и использовании низкотемпературной плазмы в вакууме.

Программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс:

магистров 210100 теме «процессы в «Электроника и дугогасительной наноэлектроника», камере при переходе электроника», по лекций по дисциплине.

курсу учебной 2. Лабораторная работа «Электрическая диагностика изоляция и разряд низкотемпературной 2. Образовательная Дополнение в уже Кафедра программа по существующий курс в сильноточной подготовки 1. Лабораторная работа НИ ТПУ магистров 210100 «Многозондовая «Электроника и диагностика наноэлектроника», низкотемпературной «Физическая легкоплавкого электроника», по металла» (4 ч).

курсу учебной дисциплины «Физика плазмы»

3. Образовательная Дополнение в уже Кафедра программа по существующий курс в сильноточной подготовки 1. Лабораторная работа НИ ТПУ магистров 210100 «Многозондовая «Электроника и диагностика наноэлектроника», низкотемпературной «Физическая электроника», по При внедрении результатов НИР были использованы следующие методические материалы, разработанные в рамках данной НИР:

1. Батраков А.В. Физические основы электрической изоляции и разряда в вакууме: учебное пособие / А.В. Батраков. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 125 с. (издано).

2. Батраков А.В. Многозондовая диагностика низкотемпературной плазмы в вакууме: Методические указания к лабораторной работе / А.В.

Батраков. – ТПУ, 2012. – 23 с. (подготовлено к изданию).

Программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс рассмотрена и одобрена на Совете ИФВТ НИ ТПУ.

4.4. Разработка методических указания к лабораторной работе по теме «Многозондовая диагностика низкотемпературной плазмы в «Физическая электроника» направления 210100 «Электроника и микроэлектроника» в Государственном образовательном Национальном исследовательском Томском политехническом университете Методические указания к лабораторным работам являются составной частью курса «Электрическая изоляция и разряд в вакууме» программы 210100 «Микроволновая электроника» по профилю подготовки «Физическая электроника», преподаваемого магистрантам на кафедре сильноточной электроники ИФВТ НИ ТПУ. Цель пособия заключается в формировании у студентов и аспирантов практических навыков диагностики плазмы вакуумных разрядов с использованием совокупности нескольких зондов пространственного распределения концентрации плазмы. Учебное пособие излагает методику проведения экспериментов по зондовой диагностике и позволяет в совокупности с соответствующим оборудованием проводить эксперименты по многозондовой диагностике плазмы. В пособии кратко описываются теоретические основы методов диагностики и даются практические рекомендации по реализации методов. Объем пособия - 23 стр., 8 рисунков и 31 формула. В конце теоретической и практической части пособия приводятся контрольные вопросы и задания.

Теоретическая часть Введение Зондовый метод диагностики плазмы разработан И. Ленгмюром в 20х года 20-го века и основан на анализе вольтамперных характеристик проводника, находящегося под потенциалом в плазме. Электрический ток на зонд зависит от потенциала зонда и определяется эмиссионной способностью окружающей плазмы. В этой связи эмиссия заряженных частиц из плазмы должна быть рассмотрена в первую очередь.

Эмиссия электронов из плазмы кулоновским взаимодействием с ионами:

где ne – концентрация электронов в плазме, Te – температура электронов, LD – длина Дебая, VD – объем радиусом LD.

Параметры плазмы вакуумного разряда таковы, что VD ne 1. Тогда, образование беспрепятственно расширяется, пока не заполнит весь объём, осуществляется генерация плазмы.

электрическом поле, ускоряющем электроны и тормозящем ионы (рис. 17).

При этом формируется граница эмиссии электронов. Если удаётся кинетическому давлению плазмы (СГС):

Таким образом, эмиссионная граница представляет собой поверхность плазмы, на которой реализуется равновесие между давлением внешнего электрического поля на ионы плазмы (тяжелые частицы) и кинетическим давлением плазмы. Если равновесие не достигается, граница движется.

Отбор электронов производится с границы плазмы в ускоряющий промежуток по закону Чайльда–Ленгмюра. Между границей плазмы и анодом образуется слой отрицательного пространственного заряда, на котором падает ускоряющее напряжение. Ионы плазмы, подходя из объема электрическое поле (рис. 1). Распределение концентрации ионов в тормозящем поле ускоряющего промежутка запишется в виде (формула Больцмана) Распределение потенциала в ускоряющем промежутке U(x) решается уравнение Пуассона. В одномерном случае решение имеет вид:

где ток jЧЛ находится из граничного условия на аноде V(d)=Ua и описывается формулой Чайльда–Ленгмюра для тока вакуумного диода, ограниченного пространственным зарядом электронов:

Подстановкой (6) в (5) получаем:

где d – длина ускоряющего промежутка между границей плазмы и анодом.

Из (4) и (7) следует, что уменьшение концентрации ионов в e раз происходит на расстоянии:

Подставив характерные значения Ti 10 К, U уск 10 В, d = 1 см, получим x0 2 10 –3 см, т.е. на практике как правило x0 ne. В рассматриваемой ситуации существует определённое ограничение на скорость ионов, эмитируемых из плазмы.